JP6960900B6 - Robot arm - Google Patents

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Description

本発明は、ロボットアーム内部の通信に関するものである。 The present invention relates to communication inside the robot arm.

例えば産業用または外科用ロボットのような、物を巧みに扱うために必要とされるロボットは、多数の可撓性ジョイントによって互いに直列に連結された剛性エレメントからなるアームを有していることが多い。かかるジョイントは、任意のタイプのものであってもよいが、一般的には回転ジョイントであってもよいし、あるいは回転ジョイントと直進ジョイントの組み合わせであってもよい。アームは、位置が固定されているあるいは移動可能とされているベースから延び出して、ツールまたはツール用のアタッチメントで終わる。ツールは、例えば、把持する、切断する、照らす、照射するまたは撮像するツールであってもよい。アーム内の最終ジョイントを、リストと呼んでもよい。かかるリストは、単一の軸周りのみの運動を可能としてもよいし、あるいは複数の軸周りの回転を可能にする複雑なまたは複合的な関節であってもよい。本発明者らの同時係属中の特許出願PCT/GB2014/053523に開示されているように、リストは、軸がアームに対してほぼ長手方向に延びる2つのロールジョイントを備えていてもよいし、軸がアームをほぼ横断する2つのピッチ/ヨージョイントによって分離されていてもよい。 Robots required for skillful handling of objects, such as industrial or surgical robots, may have an arm consisting of rigid elements connected in series with each other by a number of flexible joints. many. Such a joint may be of any type, but generally may be a rotary joint, or may be a combination of a rotary joint and a straight joint. The arm extends from a fixed or movable base and ends with a tool or attachment for the tool. The tool may be, for example, a tool for grasping, cutting, illuminating, illuminating or imaging. The final joint in the arm may be called a wrist. Such a list may allow movement only around a single axis, or may be complex or complex joints that allow rotation around multiple axes. As disclosed in the co-pending patent application PCT / GB2014 / 053523 of the present inventors, the wrist may include two roll joints in which the axis extends approximately longitudinally with respect to the arm. The axis may be separated by two pitch / yaw joints that substantially traverse the arm.

外科用ロボットの場合、アームの遠位ジョイントの設計に影響を与える多くの重要な基準が存在する。
1.アーム、特にリストが位置する遠位部分が小型であることが望ましい。これにより、複数のこのようなロボットアームが近接して動作することが可能になり、それゆえアームが行うことができる外科手術の範囲をより広げる。
2.アームの遠位部の外形は、アームの長さに対して円対称であることが望ましい。これにより、遠位部は、別のロボットや他のいくつかの機器や患者に近接している場合に、再配置する必要なく長手方向に回転させることができる。
3.ジョイントは、高いトルクを伝達可能であることが望ましいことから、より重いツールを運搬し、高い加速度をツールの先端に伝達することができる。
4.ジョイントは硬く、殆んどあるいは全く遊びや弾性がないことが望ましいことから、ツールの先端が位置決めされた際にはそこに固定されるであろう。遊びを最小化するための従来のやり方は、1つ以上のギアエレメントを犠牲として指定することであるが、このことは高いレベルのメンテナンスを必要とし、アーム内に磨耗したギアの小片が放たれる可能性がある。
5.全ての関節接合は位置および力/トルクセンサを有することが望ましいことから、制御機構は、これらのセンサからデータを取り込むことができる。
6.ロボットアームの遠位部は、ロボットアームのより近位のジョイントによって及ぼされるべき力を低減するために、可能な限り軽量であることが望ましい。
7.一般的なロボットアームは、その駆動モータおよび恐らくはツールに電力を供給するケーブルを有しており、位置センサやトルクセンサや撮像センサのようなセンサからの信号をフィードバックする。アームは、そのようなケーブルがアームの内部を通過する経路を含んでいることが望ましい。
For surgical robots, there are many important criteria that influence the design of the distal joint of the arm.
1. 1. It is desirable that the arm, especially the distal part where the wrist is located, is small. This allows multiple such robotic arms to move in close proximity, thus further expanding the range of surgery that the arm can perform.
2. 2. The outer shape of the distal part of the arm is preferably circularly symmetric with respect to the length of the arm. This allows the distal portion to rotate longitudinally without the need for repositioning when in close proximity to another robot or some other device or patient.
3. 3. Since it is desirable for the joint to be able to transmit high torque, it is possible to carry a heavier tool and transmit high acceleration to the tip of the tool.
4. Since it is desirable that the joint be stiff and have little or no play or elasticity, it will be anchored there when the tip of the tool is positioned. The traditional way to minimize play is to specify at the expense of one or more gear elements, which requires a high level of maintenance and releases worn pieces of gear in the arm. May be
5. Since it is desirable for all joints to have position and force / torque sensors, the control mechanism can capture data from these sensors.
6. The distal portion of the robot arm should be as light as possible in order to reduce the force to be exerted by the joint more proximal of the robot arm.
7. A typical robot arm has a cable that powers its drive motor and possibly tools and feeds back signals from sensors such as position sensors, torque sensors and imaging sensors. The arm preferably includes a path through which such a cable passes inside the arm.

多数の重要な基準は、全ての要件を最良にバランスさせるアームを設計することを困難にしている。 Many important criteria make it difficult to design an arm that best balances all requirements.

1つの特有の問題は、アームのセンサとモータを、例えばアームから離隔しているかもしれない中央制御コントローラに連絡させる方法である。アームの大きさが最小化されると、利用可能な空間を効率的に使用するように、通信経路が配置される必要がある。 One peculiar problem is how to contact the arm's sensors and motor, for example, to a central control controller that may be separated from the arm. When the size of the arm is minimized, the communication path needs to be arranged so that the available space can be used efficiently.

ロボットアーム用に改良された通信装置の必要性が存在する。 There is a need for improved communication equipment for robotic arms.

本発明によれば、第1肢と第2肢の間に複合ジョイントを有し、前記第2肢が前記第1肢の遠位側にあるロボットアームであって、第1回転軸を有する第1回転ジョイントによって前記アームの該第1肢に対して、また、第2回転軸を有する第2回転ジョイントによって該アームの該第2肢に対して連結されているカプラエレメントと、前記第1および第2ジョイントのそれぞれの周りで前記アームの構成を検知するための第1および第2回転位置センサと、前記第1および第2ジョイントのそれぞれの周りにかかるトルクを検知するための第1および第2トルクセンサと、前記アームの運転を制御するための制御ユニットと、前記アームによって支持されて前記カプラの近位側に配置される第1通信ユニットと、該アームによって支持されて該カプラの遠位側に配置される第2通信ユニットであり、各前記通信ユニットがひとつ以上の前記位置センサおよび/またはトルクセンサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記パケットを前記制御ユニットに転送できる該通信ユニットと、を含み、前記第1位置センサが前記第1通信ユニットに対して、前記第1肢の外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されており、前記第1ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第1通信ユニットに送られる一方、該第1トルクセンサが前記第2通信ユニットに対して、前記第2肢の外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されており、該第1ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られる。 According to the present invention, there is a composite joint between the first limb and the second limb, the second limb is a robot arm located on the distal side of the first limb, and the first rotation axis is provided. A coupler element connected to the first limb of the arm by a one-rotation joint and to the second limb of the arm by a second rotation joint having a second axis of rotation, and the first and second. The first and second rotation position sensors for detecting the configuration of the arm around each of the second joints, and the first and second rotation positions sensors for detecting the torque applied around each of the first and second joints. Two torque sensors, a control unit for controlling the operation of the arm, a first communication unit supported by the arm and arranged on the proximal side of the coupler, and a distance of the coupler supported by the arm. It is a second communication unit arranged on the position side, and each said communication unit encodes data of the first data format received from one or more said position sensors and / or torque sensors into a data packet, and said first. A communication unit capable of forwarding the packet to the control unit according to a packet-based data protocol different from the data format, the first position sensor relative to the first communication unit, the outer wall of the first limb. It is connected by a physical data link running in the unit, and data representing the position detected around the first joint is sent to the first communication unit for encoding, while the first torque sensor is the second communication. The unit is connected by a physical data link running in the outer wall of the second limb, and data representing the torque detected around the first joint is sent to the second communication unit for encoding.

前記第2位置センサが、前記第2通信ユニットに対して、前記第2肢の前記外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されて、前記第2ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第通信ユニットに送られてもよい。 The second position sensor is connected to the second communication unit by a physical data link running in the outer wall portion of the second limb, and data representing a position detected around the second joint is encoded. It may be sent to the second communication unit for use.

前記第2トルクセンサが、前記第2通信ユニットに対して、前記第2肢の前記外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されて、前記第2ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られてもよい。 The second torque sensor is connected to the second communication unit by a physical data link running in the outer wall portion of the second limb, and data representing the torque detected around the second joint is encoded. It may be sent to the second communication unit for use.

前記または各物理的データリンクが電気ケーブルであってもよい。 The above or each physical data link may be an electrical cable.

各通信ユニットが、前記位置センサおよび/またはトルクセンサから受け取った前記データをバッファーに保留して、次に該データを前記制御ユニットに転送することができてもよい。 Each communication unit may be able to hold the data received from the position sensor and / or torque sensor in a buffer and then transfer the data to the control unit.

前記第2通信ユニットが、前記制御ユニットに対して、前記第1通信ユニットを通って連結されてもよい。 The second communication unit may be connected to the control unit through the first communication unit.

前記第1肢が前記第1および第2ジョイント周りの動きを駆動するためのモータを有してもよい。該モータが物理的データリンクによって、前記第1通信ユニットからコマンドシグナルを受け取るために、該第1通信ユニットに対して連結されてもよい。 The first limb may have a motor to drive movement around the first and second joints. The motor may be connected to the first communication unit by a physical data link in order to receive a command signal from the first communication unit.

前記第1および第2軸が互いに垂直であってもよい。前記第1および第2軸が互いに交差していてもよい。 The first and second axes may be perpendicular to each other. The first and second axes may intersect each other.

前記第1および第2ジョイントが、前記ロボットのリストの一部であってもよい。 The first and second joints may be part of the list of robots.

本発明の第2の態様によれば、第1肢と、前記第1肢の遠位側にあり、回転軸周りで該第1肢と第2肢を互いに関節式に連結するための単体の回転ジョイントによって前記第1肢に対して連結されている前記第2肢とを含むロボットアームであり、前記アームが、前記ジョイント周りのトルクを検知するためのトルクセンサと、該ロボットアームの運転を制御するための制御ユニットと、前記アームに支持されて該回転ジョイントの遠位側に配置された第1通信ユニットで、前記トルクセンサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる前記通信ユニットと、を含み、該トルクセンサが、該第1通信ユニットに対して、該第2肢に沿って走る物理的データリンクによって連結されており、前記ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に前記第1通信ユニットに送られることを特徴とする。 According to the second aspect of the present invention, a single unit located on the distal side of the first limb and the first limb for jointly connecting the first limb and the second limb to each other around the axis of rotation. It is a robot arm including the second limb connected to the first limb by a rotary joint, and the arm controls a torque sensor for detecting torque around the joint and the operation of the robot arm. A control unit for control and a first communication unit supported by the arm and arranged on the distal side of the rotary joint encode data in the first data format received from the torque sensor into a data packet. The torque sensor includes the communication unit capable of transferring the data packet to the control unit according to a packet-based data protocol different from the first data format, and the torque sensor can be used with respect to the first communication unit. It is connected by a physical data link running along the two limbs, and is characterized in that data representing the torque detected around the joint is sent to the first communication unit for encoding.

前記回転軸周りで前記アームの構成を検知するための回転位置センサと、該アームに支持されて前記回転ジョイントの近位側に配置される前記第2通信ユニットで、前記位置センサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる該第2通信ユニットと、を更に含んでもよい。該回転位置センサが、前記第2通信ユニットに対して、前記第1肢に沿って走る物理的データリンクによって連結されており、該回転軸周りの前記アームの構成を表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られてもよい。 A second communication unit received from the position sensor by a rotation position sensor for detecting the configuration of the arm around the rotation axis and the second communication unit supported by the arm and arranged on the proximal side of the rotation joint. It may further include a second communication unit capable of encoding data in one data format into a data packet and forwarding the data packet to the control unit according to a packet-based data protocol different from that of the first data format. .. The rotation position sensor is connected to the second communication unit by a physical data link running along the first limb, and data representing the configuration of the arm around the rotation axis is used for encoding. It may be sent to the second communication unit.

前記第2通信ユニットが前記第1肢に支持されてもよい。 The second communication unit may be supported by the first limb.

前記第2肢に固定されて前記回転軸周りに回転可能に取り付けられて、前記第1肢に対して回転するドライブギアを更に含んでもよい。前記位置センサが該第1肢に固定されて、該第2肢に固定された位置スケールに関連付けられてもよい。 It may further include a drive gear that is fixed to the second limb and rotatably attached around the axis of rotation and rotates with respect to the first limb. The position sensor may be fixed to the first limb and associated with a position scale fixed to the second limb.

前記位置センサが前記第1肢に取り付けられて、位置スケールが前記回転軸周りに配置されてもよい。 The position sensor may be attached to the first limb and the position scale may be arranged around the axis of rotation.

前記第1通信ユニットが前記制御ユニットに対して前記第2通信ユニットを経由して連結されてもよい。 The first communication unit may be connected to the control unit via the second communication unit.

前記回転軸周りで前記アームの構成を検知するための前記回転位置センサを更に含んでもよい。前記第1通信ユニットが該位置センサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記データパケットを前記制御ユニットに転送することが更に可能であってもよい。前記回転位置センサが、該第1通信ユニットに対して、前記第2肢に沿って走る物理的データリンクによって連結されて、該回転軸周りの該アームの構成を表すデータがエンコード用に前記第1通信ユニットに送られてもよい。 The rotation position sensor for detecting the configuration of the arm around the rotation axis may be further included. The first communication unit encodes the data in the first data format received from the position sensor into a data packet, and the data packet is sent to the control unit according to a packet-based data protocol different from the first data format. It may be further possible to transfer. The rotation position sensor is connected to the first communication unit by a physical data link running along the second limb, and data representing the configuration of the arm around the axis of rotation is the first for encoding. It may be sent to one communication unit.

前記第2肢に固定されて前記回転軸周りに回転可能に取り付けられて前記第1肢に対して回転するドライブギアを更に含んでもよい。前記位置センサが前記ドライブギアに固定されて、該第1肢に固定されている位置スケールに関連付けられてもよい。 It may further include a drive gear that is fixed to the second limb and rotatably attached around the axis of rotation and rotates with respect to the first limb. The position sensor may be fixed to the drive gear and associated with a position scale fixed to the first limb.

前記位置スケールが前記回転軸周りに配置されてもよい。 The position scale may be arranged around the axis of rotation.

前記第1通信ユニットが前記第2肢に支持されてもよい。 The first communication unit may be supported by the second limb.

前記第2肢に固定されて前記回転軸周りに回転可能に取り付けられて前記第1肢に対して回転するドライブギアを更に含んでもよい。前記トルクセンサが前記ドライブギアを該第2肢に連結してもよい。 It may further include a drive gear that is fixed to the second limb and rotatably attached around the axis of rotation and rotates with respect to the first limb. The torque sensor may connect the drive gear to the second limb.

各物理的データリンクが電気ケーブルであってもよい。 Each physical data link may be an electrical cable.

各通信ユニットが、前記位置センサおよび/またはトルクセンサから受け取ったデータをバッファーに保留して、次にデータを前記制御ユニットに転送することができてもよい。 Each communication unit may be able to hold the data received from the position sensor and / or the torque sensor in a buffer and then transfer the data to the control unit.

本発明を、添付図面を参照して説明する。 The present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

外科用ロボットアームの概略図。Schematic of a surgical robot arm. 図1のアームのリストにおける回転軸をより詳細に示す図。The figure which shows the rotation axis in the list of the arm of FIG. 1 in more detail. 遠位側および片側から見た第1のリスト機構の一部を示す図。The figure which shows a part of the 1st wrist mechanism seen from the distal side and one side. 遠位側および反対側から見た第1のリスト機構の一部を示す図。The figure which shows a part of the 1st wrist mechanism seen from the distal side and the opposite side. 近位側および片側から見た第2のリスト機構の一部を示す図。The figure which shows a part of the 2nd wrist mechanism seen from the proximal side and one side. 遠位側および片側から見た第2のリスト機構の一部を示す図。The figure which shows a part of the 2nd wrist mechanism seen from the distal side and one side. 遠位側および片側から見た第3のリスト機構の一部を示す図。The figure which shows a part of the 3rd wrist mechanism seen from the distal side and one side. 遠位側および反対側から見た第3のリスト機構の一部を示す図。The figure which shows a part of the 3rd wrist mechanism seen from the distal side and the opposite side. 片側から見た中央の長手方向断面における第3のリスト機構を示す図。The figure which shows the 3rd wrist mechanism in the central longitudinal cross section seen from one side. 反対側から見た中央の長手方向断面における第3のリスト機構を示す図。The figure which shows the 3rd wrist mechanism in the central longitudinal section seen from the opposite side. ロボットアームにおける通信経路を示す図。The figure which shows the communication path in a robot arm. ロボットアームにおける通信経路の別の配置を示す図。The figure which shows another arrangement of the communication path in a robot arm. 回転ジョイントによって離隔されたロボットアームの肢における通信経路を示す図。The figure which shows the communication path in the limb of a robot arm separated by a rotary joint. 長手方向断面におけるロボットアームのための末端のモジュールを示す図。The figure which shows the module of the end for a robot arm in a longitudinal section.

以下に説明するリスト機構は、ロボットのリストのジョイントの少なくともいくつか、あるいは他のアプリケーションに対して、コンパクトで機械的に有利な構成を提供することが判明している。 The wrist mechanism described below has been found to provide a compact and mechanically advantageous configuration for at least some of the robot's wrist joints, or for other applications.

図1は、ベース2から延びるアーム1を有する外科用ロボットを示している。アーム1は、多数の剛体肢3を含んでいる。肢3は、回転ジョイント4によって連結されている。最近位肢3aは、ジョイント4aによってベースに連結されている。かかる肢3と他の肢3は、さらなるジョイント4によって直列に連結されている。リスト5は、4つの個別の回転ジョイントから構成されている。リスト5は、アーム1の最遠位肢3cに対して1つの肢3bを連結している。最遠位肢3cは、外科用器具またはツール9用のアタッチメント8を有している。アーム1の各ジョイント4は、それぞれのジョイント4で回転運動を生じさせるように操作可能とされた1つまたは複数のモータ6と、現在の構成および/またはそのジョイントにおける負荷に関する情報を提供する、1つまたは複数の位置および/またはトルクセンサ7と、を有している。明瞭化のために、モータおよびセンサのいくつかのみが図1に示されている。アーム1は、一般に、本発明者らの同時係属中の特許出願PCT/GB2014/053523に記載されているものであってもよい。ツール用のアタッチメントポイント8は、(i)ツールをアームに対して機械的に取り付けることを可能にする構成と、(ii)ツールとの間で電気的および/または光学的な出力および/またはデータを通信するためのインターフェースと、(iii)ツールの一部の動きを駆動するための機械的駆動装置、の任意の1つまたは複数のものを適宜含むことができる。一般に、モータは、重量分布を改善するように、駆動するジョイントの近位に配置されていることが好ましい。以下に説明するように、モータやトルクセンサやエンコーダ用のコントローラは、アームと一緒に配置される。コントローラは、通信バスを介して制御ユニット10に接続されている。 FIG. 1 shows a surgical robot having an arm 1 extending from a base 2. The arm 1 includes a large number of rigid limbs 3. The limbs 3 are connected by a rotary joint 4. The recent limb 3a is connected to the base by a joint 4a. The limb 3 and the other limb 3 are connected in series by an additional joint 4. Listing 5 consists of four separate rotary joints. In Listing 5, one limb 3b is connected to the most distal limb 3c of the arm 1. The distal limb 3c has an attachment 8 for a surgical instrument or tool 9. Each joint 4 of the arm 1 provides information about the current configuration and / or the load at that joint with one or more motors 6 engineered to generate rotational motion at each joint 4. It has one or more positions and / or torque sensors 7. For clarity, only some of the motors and sensors are shown in FIG. The arm 1 may generally be the one described in the patent application PCT / GB2014 / 053523 which is pending at the same time by the present inventors. The attachment point 8 for the tool has (i) a configuration that allows the tool to be mechanically attached to the arm and (ii) electrical and / or optical output and / or data to and from the tool. Any one or more of an interface for communicating with (iii) and a mechanical drive for driving some movements of the tool can be optionally included. In general, the motor is preferably located proximal to the driving joint to improve weight distribution. As described below, the controller for the motor, torque sensor and encoder is arranged together with the arm. The controller is connected to the control unit 10 via the communication bus.

制御ユニット10は、プロセッサ11とメモリ12を備えている。メモリ12は、モータ6の動作を制御してアーム1をここに記載されているように動作するように、プロセッサによって実行可能なソフトウェアを非過渡的に記憶している。特に、ソフトウェアは、プロセッサ11を制御して、モータ(例えば、配置されたコントローラを介して)をセンサ7からの入力および外科医コマンドインターフェース13からの入力に応じて駆動することができる。制御ユニット10は、ソフトウェアの実行により生成された出力に応じてそれらを駆動するために、モータ6に接続されている。制御ユニット10は、センサからの検知された入力を受け取るためにセンサ7に接続されていると共に、それからの入力を受け取るためにコマンドインターフェース13に接続されている。それぞれの接続は、例えば、それぞれが電気ケーブルまたは光ケーブルであってもよいし、無線接続であってもよい。コマンドインターフェース13は、ユーザが所望の方法でアームの動きを要請できる1つ以上の入力装置を備えている。入力装置は、例えば、コントロールハンドルやジョイスティックや光学式ジェスチャーセンサのような非接触入力装置などの手動で操作可能な機械式入力装置であってもよい。メモリ12に記憶されたソフトウェアは、これらの入力に応答し、それに応じて所定の制御手順に従ってアームのジョイントを移動させるように構成されている。制御手順は、コマンド入力に応答してアームの動きを加減する安全機能を含んでいてもよい。したがって、要約すると、外科医は、コマンドインターフェース13でロボットアーム1を制御して、所望の外科手術を実行するように動かすことができる。制御ユニット10および/またはコマンドインターフェース13は、アーム1から離れていてもよい。 The control unit 10 includes a processor 11 and a memory 12. The memory 12 non-transiently stores software that can be executed by the processor so that the operation of the motor 6 is controlled so that the arm 1 operates as described herein. In particular, the software can control the processor 11 to drive a motor (eg, via an arranged controller) in response to input from the sensor 7 and input from the surgeon command interface 13. The control unit 10 is connected to the motor 6 to drive them according to the output generated by the execution of the software. The control unit 10 is connected to the sensor 7 to receive the detected input from the sensor and is connected to the command interface 13 to receive the input from the sensor 7. Each connection may be, for example, an electrical cable or an optical cable, or may be a wireless connection. The command interface 13 includes one or more input devices that allow the user to request movement of the arm in a desired manner. The input device may be, for example, a manually operable mechanical input device such as a control handle or a non-contact input device such as a joystick or an optical gesture sensor. The software stored in the memory 12 is configured to respond to these inputs and move the arm joints accordingly according to a predetermined control procedure. The control procedure may include a safety feature that adjusts the movement of the arm in response to command input. Therefore, in summary, the surgeon can control the robot arm 1 with the command interface 13 to move it to perform the desired surgery. The control unit 10 and / or the command interface 13 may be separated from the arm 1.

図2は、ロボットのリスト5をより詳細に示している。リスト5は、4つの回転ジョイント300,301,302,303を備えている。かかるジョイントは、各ジョイントから次のジョイントに延びるアームの剛性部位を含んで、直列に配置されている。リストの最も近位側のジョイント300は、アーム部位4bをアーム部位310に連結している。ジョイント300は、リストの関節のすぐ近位にあるアームの肢部4bにほぼ沿って指向されている、“ロール”回転軸304を有している。リストの次の最も位側のジョイント301は、アーム部位310をアーム部位311に連結している。ジョイント301は、ジョイント300とジョイント301の全ての構成において軸304に垂直な“ピッチ”回転軸305を有している。リストの次の最も位側のジョイント302は、アーム部位310をアーム部位311に連結している。ジョイント302は、ジョイント301,302の全ての構成において軸305に垂直な“ヨー”回転軸306を有している。リストのいくつかの構成では、軸306は、軸304に対しても垂直である。リストの次の最も位側のジョイント303は、アーム部位311をアーム部位4cに連結している。ジョイント303は、ジョイント302,303の全ての構成において軸306に垂直な“ロール”回転軸307を有している。リストのいくつかの構成では、軸307は、軸305に対しても垂直であると共に、軸304と平行である(好ましくは同一直線上にあることが望ましい)。このことが特にコンパクトな構成を提供するために、軸305,306が互いに交差していることが望ましい。ジョイント300,303は、リストのいくつかの構成において、軸304,307が軸305,306の交点を通過できるように配置されていてもよい。 FIG. 2 shows the list 5 of robots in more detail. Listing 5 includes four rotary joints 300, 301, 302, 303. Such joints are arranged in series, including a rigid portion of the arm extending from one joint to the next. The most proximal joint 300 of the list connects the arm portion 4b to the arm portion 310. The joint 300 has a "roll" axis of rotation 304 oriented approximately along the limb 4b of the arm just proximal to the wrist joint. The next most proximal joint 301 on the list connects the arm portion 310 to the arm portion 311. The joint 301 has a "pitch" rotation axis 305 perpendicular to the axis 304 in all configurations of the joint 300 and the joint 301. The next most proximal joint 302 on the list connects the arm portion 310 to the arm portion 311. The joint 302 has a "yaw" rotation axis 306 perpendicular to the axis 305 in all configurations of the joints 301, 302. In some configurations of the list, the axis 306 is also perpendicular to the axis 304. The next most proximal joint 303 on the list connects the arm portion 311 to the arm portion 4c. The joint 303 has a "roll" rotating shaft 307 perpendicular to the shaft 306 in all configurations of the joints 302, 303. In some configurations of the list, the axis 307 is also perpendicular to the axis 305 and parallel to the axis 304 (preferably on the same straight line). It is desirable that the axes 305, 306 intersect each other, in order for this to provide a particularly compact configuration. The joints 300, 303 may be arranged so that the axes 304, 307 can pass through the intersection of the axes 305, 306 in some configurations of the list.

このリストのデザインは、比較的コンパクトな形状で組み立てられることが可能であり、かつ、個々のジョイントに過度に高い速度を要求することができる運動範囲の特定の部分に特異点を有していないこと以外には、アーム部位4cの先端のアタッチメントポイント8に取り付けられたツールから広範囲の移動を可能にするという点で有利である。 The designs in this list can be assembled in a relatively compact shape and do not have singularities in specific parts of the range of motion that can require excessively high velocities for individual joints. Other than that, it is advantageous in that it enables a wide range of movement from the tool attached to the attachment point 8 at the tip of the arm portion 4c.

図3および図4は、図1のアーム1のリスト5の一部を実現するのに適した機構の一例を示している。図3および図4は、図2に301,302で示すジョイントに対応する機構に的を絞っている(図5~10のように)。 3 and 4 show an example of a mechanism suitable for realizing a part of the list 5 of the arm 1 of FIG. 3 and 4 focus on the mechanisms corresponding to the joints shown in FIGS. 3 and 302 (as in FIGS. 5-10).

リスト5の領域において、剛性アーム部位310,311は、中空の外側のシェルまたはケース310’,310”,311’を有している。かかるシェルは、アームの外面の大部分を画定していると共に、各シェルの外壁に部分的または完全に包囲され、その内部にモータやセンサやケーブルやアームの他のコンポーネントが収容される空隙を含んでいる。シェルは、金属、例えばアルミニウム合金や鋼、または複合体、例えば樹脂強化炭素繊維のような繊維強化樹脂複合体、から形成されていてもよい。シェルは、各ジョイント間に取り付けられるアーム部位の剛性構造の一部を構成している。シェルは、図7の実施形態に関して後述するような構造骨組を含んでいてもよい。 In the region of Listing 5, the rigid arm portions 310, 311 have a hollow outer shell or cases 310', 310 ", 311', which shell defines most of the outer surface of the arm. Along with, the outer wall of each shell is partially or completely enclosed and contains voids within which other components such as motors, sensors, cables and arms are housed. The shell is made of metal such as aluminum alloy or steel. Alternatively, it may be formed from a composite, for example a fiber reinforced resin composite such as resin reinforced carbon fiber, the shell constituting part of the rigid structure of the arm portion attached between the joints. May include a structural skeleton as described below with respect to the embodiment of FIG.

図3および図4に、明確化のために、アーム部位310のシェルが、2つの部位310’と310”で示されており、両者はアウトラインで描画されていると共に互いに分解されている。アーム部位4b、4cのシェルは、ジョイント300,303に関連する機構と同様に、省略されている。アーム部位311のシェルは、部分的すなわち平部位311’から延び出す大部分、が示されている。 In FIGS. 3 and 4, for clarity, the shell of the arm portion 310 is shown in two portions 310'and 310 ", both of which are outlined and disassembled from each other. The shells of parts 4b and 4c are omitted, similar to the mechanisms associated with joints 300, 303. The shells of arm parts 311 are shown to be partial, i.e. most of which extend from the flat part 311'. ..

アーム部位310(シェル部位310’と310”で構成されている)のシェルと、アーム部位311(平部位311’から延び出している)のシェルが、20と21で示されている2つの回転軸周りに互いに移動可能である。これらは、図2の軸305,306に対応している。軸20,21は直交している。軸20,21は交差している。中央カプラ28は、ベアリング29,30によってアーム部位310に取り付けられている。かかるカプラ28は、ベアリング29,30間に延び出している。ベアリング29,30は、軸20周りのカプラ28とアーム部位310の相対的な回転を可能にすることを除いては、カプラをアーム部位310に固定的に保持しており、したがって、図2のジョイント301に対応する回転ジョイントを規定している。さらにベアリング31は、遠位側のシェルコネクタ平部位311’をカプラ28に取り付けている。ベアリング31は、軸21周りの平部位とカプラの相対運動を許容することを除いて、遠位側シェルコネクタ平部位311’をカプラ28に固定的に保持しており、したがって、図2のジョイント302に対応する回転ジョイントを規定している。 The shell of the arm part 310 (consisting of the shell parts 310'and 310') and the shell of the arm part 311 (extending from the flat part 311') are the two rotations shown by 20 and 21. They are movable around each other around the axes. They correspond to the axes 305 and 306 of FIG. 2. The axes 20 and 21 are orthogonal. The axes 20 and 21 intersect. The central coupler 28 is a central coupler 28. It is attached to the arm portion 310 by bearings 29,30. The coupler 28 extends between the bearings 29, 30; the bearings 29, 30 are relative to the coupler 28 around the shaft 20 and the arm portion 310. Except for allowing rotation, the coupler is fixedly held to the arm portion 310, thus defining a rotary joint corresponding to the joint 301 in FIG. 2, further the bearing 31 is distal. The side shell connector flat portion 311'is attached to the coupler 28. The bearing 31 couples the distal shell connector flat portion 311', except that it allows relative movement of the flat portion around the shaft 21 and the coupler. It is fixedly held at 28 and therefore defines a rotary joint corresponding to the joint 302 in FIG.

2つの電動モータ24,25(図4参照)がアーム部位310に装着されている。かかるモータは、リスト機構の途中に延びる各駆動シャフト26,27を駆動している。シャフト26は、軸20周りの回転を駆動する。シャフト27は、軸21周りの回転を駆動する。駆動シャフト26は、ウォームギア32の遠位端で終わっている。ウォームギア32は、カプラ28に固定されているべベルギア33に係合している。駆動シャフト27は、ウォームギア34の遠位端で終わっている。ウォームギア34は、さらにウォームギア36で終端する一般に35で示されるギア列に係合している。ウォーム形ピニオンギア36は、遠位側シェルコネクタ311’に固定されているハイポイドべベルギア37と係合している。 Two electric motors 24, 25 (see FIG. 4) are mounted on the arm portion 310. Such a motor drives the drive shafts 26 and 27 extending in the middle of the wrist mechanism. The shaft 26 drives rotation around the shaft 20. The shaft 27 drives rotation around the shaft 21. The drive shaft 26 ends at the distal end of the worm gear 32. The worm gear 32 is engaged with the bevel gear 33 fixed to the coupler 28. The drive shaft 27 ends at the distal end of the worm gear 34. The worm gear 34 is further engaged with a gear train generally indicated by 35, which is terminated by the worm gear 36. The worm-shaped pinion gear 36 is engaged with a hypoid bevel gear 37 fixed to the distal shell connector 311'.

ギア33は、セクターギアとして形成されている。すなわち、動作円弧(その歯の円弧によって図3および図4の例で定義されている)が360°未満である。 The gear 33 is formed as a sector gear. That is, the working arc (defined by the arcs of its teeth in the examples of FIGS. 3 and 4) is less than 360 °.

ギア列35は、カプラ28によって支持されている。ギア列35は、ウォームギア34に係合する入力ギア38を備えている。入力ギア38は、軸20と完全に一致したカプラ28に対するその回転軸に配置されている。このことは、軸20周りのアーム部位310に対するカプラ28の構成にかかわらず、入力ギア38がウォームギア34と係合し続けることができることを意味している。軸20と平行な軸を有する一連のさらなるギアは、キャリア28に対する回転軸と平行であるが軸20からオフセットしているシャフト40上において入力ギア38から出力ギア39に駆動を伝達する。シャフト40はウォームギア36で終わっている。シャフト40は軸20に平行に延びている。ギア列35のギアは、シャフト40と共に、カプラ28によって支持されている。 The gear train 35 is supported by the coupler 28. The gear train 35 includes an input gear 38 that engages the worm gear 34. The input gear 38 is located on its axis of rotation with respect to the coupler 28 that perfectly matches the axis 20. This means that the input gear 38 can continue to engage the worm gear 34 regardless of the configuration of the coupler 28 with respect to the arm portion 310 around the shaft 20. A series of additional gears having a shaft parallel to the shaft 20 transmit drive from the input gear 38 to the output gear 39 on a shaft 40 parallel to the axis of rotation with respect to the carrier 28 but offset from the shaft 20. The shaft 40 ends with a worm gear 36. The shaft 40 extends parallel to the shaft 20. The gear of the gear train 35 is supported by the coupler 28 together with the shaft 40.

次に、リスト機構の動作について説明する。軸20周りの動きに対しては、モータ24がシャフト26を駆動して、アーム部位310に対して回転するように操作される。これにより、べベルギア33が駆動され、したがって、カプラ28および遠位側シェル平部位311’は、アーム部位310に対して軸20周りに回転する。軸21周りの動きに対しては、モータ25がシャフト27を駆動して、アーム部位310に対して回転するように操作される。これにより、べベルギア37が駆動され、したがって、遠位側シェルコネクタ平部位311’は、アーム部位310に対して軸21周りに回転する。駆動シャフト26が回転されると、カプラ28を回転駆動して、駆動シャフト27が静止している間、軸21周りに遠位側シェルコネクタ平部位311’の寄生運動を生じさせるように、ギア38もカプラ28に対して回転する、ことが確認されるであろう。これを防止するために、アームの制御システム10は、必要に応じて、駆動シャフト26の動きに連動して駆動シャフト27の補償動作を行い、軸20周りの動きから軸21周りの動きを分離するように構成されている。例えば、シェル310,311を軸20周りだけで相対運動させる必要がある場合には、モータ24を作動させてその運動を生じさせる一方、同時にモータ25は、入力ギア38がキャリア28に対して回転するのを防止するように操作される。 Next, the operation of the wrist mechanism will be described. With respect to the movement around the shaft 20, the motor 24 drives the shaft 26 and is operated so as to rotate with respect to the arm portion 310. This drives the bevel gear 33 so that the coupler 28 and the distal shell flat portion 311'rotate about the axis 20 with respect to the arm portion 310. With respect to the movement around the shaft 21, the motor 25 drives the shaft 27 and is operated so as to rotate with respect to the arm portion 310. This drives the bevel gear 37 so that the distal shell connector flat portion 311'rotates about the axis 21 with respect to the arm portion 310. When the drive shaft 26 is rotated, the coupler 28 is rotationally driven to cause a parasitic motion of the distal shell connector flat portion 311'around the shaft 21 while the drive shaft 27 is stationary. It will be confirmed that 38 also rotates with respect to the coupler 28. In order to prevent this, the arm control system 10 performs a compensatory operation of the drive shaft 27 in conjunction with the movement of the drive shaft 26 as necessary, and separates the movement around the shaft 21 from the movement around the shaft 20. It is configured to do. For example, when it is necessary to move the shells 310 and 311 relative to each other only around the axis 20, the motor 24 is operated to generate the movement, while at the same time, the motor 25 has the input gear 38 rotated with respect to the carrier 28. It is operated to prevent it from happening.

図3および図4に示される機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにする手助けをするのに有利である。
1.べベルギア33は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア33は、270°未満であってもよいし、180°未満であってもよいし、あるいは90°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア37の少なくとも一部が、ギア33と一致する円と交差するように配置され、ギア33の軸の周りでギア33の最も外側の部分と同じ半径を有する、ことを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ/ヨージョイントを備えた、図2に示されるタイプのリストにおいて特に重要である。それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ/ヨージョイント間に冗長度があるので、軸20周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。
2.部品ギア33が、軸21を中心とした回転とは反対に、キャリア28が最近接アーム部位310に対して回動する際の軸20を中心として回転する方が都合がよい。それは、円と交差するシャフト40を収容するように部品ギアを切断することもできるからである。これにより、ギア列35に対してべベルギア33の反対側にウォームギア36を位置させることで省スペース化を図ることができる。しかしながら、他の設計では、部品ギアは軸21周りに回転することができることから、ギア37は部分円形の形状とすることができる。
3.ウォームギア32,34がべベルギア37に対して軸20の反対側に位置している方が都合がよい。すなわち、片側にウォームギア32,34が配置され、反対側にべベルギア37が配置された、軸20を含む平面があるのである。このことは、コンパクトな包装配置を提供する手助けとなる。
4.ウォームギア34がウォームギア36から離れてべベルギア33の反対側に位置し、および/またはギア列35がウォームギア36から離れてべベルギア33の反対側のみに配置されている方が都合がよい。このことはまた、コンパクトな包装配置を提供する手助けとなる。
5.好都合なことに、ギア33および/またはギア37は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア32,34または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
6.好都合なことに、べベルギア33は、ウォームギア32,34間に介在するように配置されている。このことは、モータ24,25のコンパクトな包装の手助けとなる。
7.好都合なことに、べベルギアおよびそれらに連結するウォームギアは、ハイポイドや斜行軸、例えば、スピロイド(登録商標)、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
Various aspects of the mechanism shown in FIGS. 3 and 4 are advantageous in helping to make the mechanism particularly compact.
1. 1. It is convenient that the bevel gear 33 is partially circular, that is, its teeth do not include a perfect circle. For example, the gear 33 may be less than 270 °, less than 180 °, or less than 90 °. This means that at least a portion of the other bevel gear 37 is placed so that it intersects a circle that coincides with the gear 33 and has the same radius as the outermost portion of the gear 33 around the axis of the gear 33. It is permissible. This feature is particularly important in the list of types shown in FIG. 2, which helps reduce the scale of the spread of the composite joint and at the same time has a pair of roll joints and a pair of pitch / yaw joints between them. be. This is because this type of joint has redundancy between the pitch / yaw joints so that it can reach a wide range of positions at the distal end of the arm, even if movement around the axis 20 is restricted. ..
2. 2. It is more convenient for the component gear 33 to rotate about the shaft 20 when the carrier 28 rotates with respect to the closest arm portion 310, as opposed to the rotation about the shaft 21. This is because the component gear can also be cut to accommodate the shaft 40 that intersects the circle. As a result, space can be saved by locating the worm gear 36 on the opposite side of the bevel gear 33 with respect to the gear row 35. However, in other designs, the gear 37 can have a partially circular shape because the component gear can rotate around the shaft 21.
3. 3. It is convenient that the worm gears 32 and 34 are located on the opposite side of the shaft 20 with respect to the bevel gear 37. That is, there is a plane including the shaft 20 in which the worm gears 32 and 34 are arranged on one side and the bevel gear 37 is arranged on the other side. This helps to provide a compact packaging arrangement.
4. It is convenient that the worm gear 34 is located on the opposite side of the bevel gear 33 away from the worm gear 36 and / or the gear train 35 is located only on the opposite side of the bevel gear 33 away from the worm gear 36. This also helps to provide a compact packaging arrangement.
5. Conveniently, the gears 33 and / or the gears 37 are provided as bevel gears because they can be driven away from the worm gears located in the plane of their respective external radii. However, they may be worm gears 32, 34 or external tooth gears engaged to their outer surfaces by radial toothed gears.
6. Conveniently, the bevel gear 33 is arranged so as to intervene between the worm gears 32 and 34. This helps in the compact packaging of the motors 24 and 25.
7. Conveniently, the bevel gears and the worm gears connected to them can be hypoids or skew axes, such as Spiroid®. These gears allow for relatively high torque capacity in a relatively compact form.

図5および図6は、図2に示すタイプのリスト内のジョイント301,302を提供するのに適したリスト機構の第2の形態を示している。 5 and 6 show a second form of a list mechanism suitable for providing the joints 301, 302 in the list of the type shown in FIG.

図5に示すように、リストは、図2のアーム部位310,311のそれぞれの外面を規定する一対の剛性の外側のシェル310’、311’を備えている。310’は、シェルの中でより近位にある。シェル310’、311’によって形成されたアーム部位は、図2の軸305,306にそれぞれ対応する、軸62、63を中心として互いに相対的に回動できる。軸62,63は直交している。軸62,63は交差している。シェル310’、311’は、リストの領域におけるアームの外側を規定しており、以下に詳細に説明するように、回転機構を収容するためや、ケーブル等を通すためのスペース確保のために中空とされている。シェルは、金属、例えば、アルミニウム合金や鋼、または複合体、例えば、樹脂強化炭素繊維のような繊維強化樹脂複合体から製造することができる。シェルは、各ジョイントの間に取り付けられるアーム部位の主要な剛体構造を構成している。 As shown in FIG. 5, the wrist includes a pair of rigid outer shells 310'311' that define the outer surfaces of the arm portions 310, 311 of FIG. 2, respectively. 310'is more proximal in the shell. The arm portions formed by the shells 310'and 311' can rotate relative to each other about the axes 62 and 63, respectively, corresponding to the axes 305 and 306 of FIG. The axes 62 and 63 are orthogonal to each other. The axes 62 and 63 intersect. Shells 310', 311' define the outside of the arm in the area of the wrist and are hollow to accommodate the rotating mechanism and to secure space for cables and the like, as described in detail below. It is said that. The shell can be made from a metal, such as an aluminum alloy or steel, or a composite, such as a fiber reinforced resin composite such as resin reinforced carbon fiber. The shell constitutes the main rigid body structure of the arm portion attached between each joint.

図6は、明確化のためにシェル311’が取り外された状態で、遠位側および片側から見た同じ機構を示している。 FIG. 6 shows the same mechanism as viewed from the distal and unilateral sides, with the shell 311'removed for clarity.

シェル310’は、十字型カプラ64によってシェル311’に連結されている。カプラは、ほぼアームの長さ方向に延びて、その中心を通るダクトを画定する中央チューブ65を有している。第1アーム66,67および第2アーム68,69は、チューブから延び出している。各シェル310’、311’は、単一の軸を中心として回転するだけでカプラに対する移動に限定されるように、回転ジョイントによってカプラ64に取り付けられている。第1アーム66,67は、軸62を中心とする第1アームとシェル310’間の回転を許容する、ベアリング70,71によってシェル310’に取り付けられている。第2アーム68,69は、軸63を中心とする第2アームとシェル311’間の回転を許容する、ベアリング72,73によってシェル311’に取り付けられている。第1べベルギア74は、第1アーム66,67と同心である。第1べベルギア74は、カプラ64に固定されており、2つのシェルの近位側の一方310’に対して回転自在とされている。第2べベルギア75は、第2アーム68,69と同心である。第2べベルギア75は、2つのシェルの遠位側の一方311’に固定されており、カプラ64に対して回転自在とされている。 The shell 310'is connected to the shell 311' by a cross-shaped coupler 64. The coupler has a central tube 65 extending approximately along the length of the arm and defining a duct through its center. The first arms 66, 67 and the second arms 68, 69 extend from the tube. Each shell 310', 311'is attached to the coupler 64 by a rotary joint such that it rotates about a single axis and is limited to movement with respect to the coupler. The first arms 66, 67 are attached to the shell 310'by bearings 70, 71, which allow rotation between the first arm and the shell 310' around the shaft 62. The second arms 68, 69 are attached to the shell 311'by bearings 72, 73, which allow rotation between the second arm about the shaft 63 and the shell 311'. The first bevel gear 74 is concentric with the first arms 66 and 67. The first bevel gear 74 is fixed to the coupler 64 and is rotatable with respect to one 310'on the proximal side of the two shells. The second bevel gear 75 is concentric with the second arms 68 and 69. The second bevel gear 75 is fixed to one of the distal sides 311'of the two shells and is rotatable with respect to the coupler 64.

2つのシャフト76,77は、複合ジョイントの動きを操作している。かかるシャフトは、シェル310’の近位側の一方からジョイントの中央領域に延びている。各シャフトは、その近位端において、それぞれの電気モータ(図示せず)のシャフトに取り付けられており、かかるモータのハウジングは、近位側シェル310’内に固定されている。このようにして、シャフト76,77は、モータによって駆動されて、近位側シェル310’に対して回転可能となっている。 The two shafts 76 and 77 control the movement of the composite joint. Such a shaft extends from one of the proximal sides of the shell 310'to the central region of the joint. Each shaft is attached to the shaft of its respective electric motor (not shown) at its proximal end, and the housing of such motor is secured within the proximal shell 310'. In this way, the shafts 76, 77 are driven by a motor and are rotatable with respect to the proximal shell 310'.

シャフト76およびそれに関連するモータは、軸62を中心とする動きを操作する。シャフト76は、べベルギア74と係合するウォームギア78の遠位端で終端する。シャフト76の回転は、軸62を中心として、シェル310’に対してべベルギア74を回転させる。べベルギア74は、遠位側シェル311’を順番に有しているカプラ64に固定されている。したがって、シャフト76の回転により、軸62を中心としてシェル310’,311’が相対的に回転する。 The shaft 76 and related motors operate movements about the shaft 62. The shaft 76 terminates at the distal end of the worm gear 78 that engages the bevel gear 74. The rotation of the shaft 76 causes the bevel gear 74 to rotate about the shaft 62 with respect to the shell 310'. The bevel gear 74 is fixed to a coupler 64 which in turn has a distal shell 311'. Therefore, the rotation of the shaft 76 causes the shells 310'and 311' to rotate relatively around the shaft 62.

シャフト77およびそれに関連するモータは、軸63を中心とする動きを操作する。これを行うために、カプラ64によって携帯されるウォームギア79を用いて最終的にべベルギア75を駆動しなければならない。かかるウォームギア79の回転により、カプラと遠位側シェル311’との相対的な回転を生じさせることができる。これを達成するために、駆動は、カプラ64によって支持された一対のギア80,81を介してシャフト77からウォームギア79を軸支するシャフトに伝達されている。シャフト77は、近位側からキャリア64に接近している。ギア80,81は、カプラの遠位側に配置されている。シャフト77は、カプラの中心においてチューブ65によって画成されたダクトを通過する。第1シェル310’に対するカプラ64の動きに適応するために、シャフト77は、その長さに沿ってユニバーサルまたはフックジョイント82を有する。ユニバーサルジョイント82は、軸62上に位置している。フックジョイントの代わりに、シャフトは、別の形態の可撓性連結、例えば、弾性連結(シャフトと一体であってもよい)または等速ジョイントの形態、を有していてもよい。 The shaft 77 and its associated motors operate movements about the shaft 63. To do this, the bevel gear 75 must finally be driven using the worm gear 79 carried by the coupler 64. The rotation of the worm gear 79 can cause a relative rotation between the coupler and the distal shell 311'. To achieve this, drive is transmitted from the shaft 77 to the shaft supporting the worm gear 79 via a pair of gears 80, 81 supported by the coupler 64. The shaft 77 approaches the carrier 64 from the proximal side. Gears 80 and 81 are located on the distal side of the coupler. The shaft 77 passes through a duct defined by the tube 65 at the center of the coupler. To adapt to the movement of the coupler 64 with respect to the first shell 310', the shaft 77 has a universal or hook joint 82 along its length. The universal joint 82 is located on the shaft 62. Instead of the hook joint, the shaft may have another form of flexible connection, eg, elastic connection (which may be integral with the shaft) or constant velocity joint form.

この機構は、機構の構成要素がシェルの動きを過度に制限することなく、軸62および軸63の周りで回転するための特にコンパクトかつ軽量かつ剛性の駆動装置の提供を可能にしていることが判明した。これにより、両モータを近位側シェル内に収容することが可能となり、遠位側の重量を低減できる。 This mechanism is capable of providing a particularly compact, lightweight and rigid drive device for the components of the mechanism to rotate around the shaft 62 and the shaft 63 without excessively restricting the movement of the shell. found. This makes it possible to accommodate both motors in the proximal shell and reduce the weight on the distal side.

図5および図6に示されている機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにする手助けをするのに有利である。
1.べベルギア74は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア74は、270°未満であってもよいし、180°未満であってもよいし、あるいは90°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア75の少なくとも一部が、ギア74と一致する円と交差するように配置され、ギア74の軸の周りでギア74の最も外側の部分と同じ半径を有する、ことを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ/ヨージョイントを備えた、図2に示されるタイプのリストにおいて特に重要である。それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ/ヨージョイント間に冗長度があるので、軸62周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。図6に示すように、べベルギア74は、その歯に含まれない領域では半径が小さくなっている。他の実施形態の部分円形べベルギアも同様にして形成されてもよい。
2.好都合なことに、ギア74および/またはギア75は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア76,79または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
.好都合なことに、べベルギアおよびそれらに連結するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド(登録商標)、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
Various aspects of the mechanism shown in FIGS. 5 and 6 are advantageous in helping to make the mechanism particularly compact.
1. 1. It is convenient for the bevel gear 74 to be partially circular, i.e. its teeth do not contain a perfect circle. For example, the gear 74 may be less than 270 °, less than 180 °, or less than 90 °. This means that at least a portion of the other bevel gear 75 is placed so that it intersects a circle that coincides with the gear 74 and has the same radius as the outermost portion of the gear 74 around the axis of the gear 74. It is permissible. This feature is particularly important in the list of types shown in FIG. 2, which helps reduce the scale of the spread of the composite joint and at the same time has a pair of roll joints and a pair of pitch / yaw joints between them. be. This is because this type of joint has redundancy between the pitch / yaw joints so that it can reach a wide range of positions at the distal end of the arm, even if movement around the axis 62 is restricted. .. As shown in FIG. 6, the bevel gear 74 has a smaller radius in a region not included in its teeth. The partially circular bevel gears of other embodiments may be formed in the same manner.
2. 2. Conveniently, the gear 74 and / or the gear 75 is provided as a bevel gear because it can be driven away from the worm gears located in the plane of their respective external radii. However, they may be worm gears 76, 79 or external tooth gears engaged to their outer surfaces by radial toothed gears.
3 . Conveniently, the bevel gears and the worm gears connected to them can be skewed axes, eg, Spiroid®. These gears allow for relatively high torque capacity in a relatively compact form.

図7~10は、リスト機構の別の形態を示す。これらの図において、アーム部位310,311のシェルは省略され、アーム部位内の構造が露出されている。近位側アーム部位310は、構造骨組100を有し、この構造骨組100は、いくつかの図面において概略的に示されている。遠位側アーム部位311は、構造骨組101を有している。アーム部位310,311は、図2の軸305,306にそれぞれ対応する、軸102,103を中心として互いに相対回転可能である。キャリア104は、アーム部位310,311を共に連結している。キャリア104は、ベアリング105,190によってアーム部位310に取り付けられている。これらのベアリングは、アーム部位310とキャリア104の間の軸102周りの回転ジョイントを規定している。キャリア104は、ベアリング106によってアーム部位311に取り付けられている。これらのベアリングは、アーム部位311とキャリア104の間の軸103周りの回転ジョイントを規定している。軸102を中心とする第1べベルギア107は、キャリア104に固定されている。軸103の周りの第2べベルギア108は、アーム部位311に固定されている。 7-10 show another form of the wrist mechanism. In these figures, the shells of the arm portions 310 and 311 are omitted to expose the structure within the arm portions. The proximal arm site 310 has a structural skeleton 100, which is schematically shown in some drawings. The distal arm site 311 has a structural skeleton 101. The arm portions 310 and 311 can rotate relative to each other about the axes 102 and 103 corresponding to the axes 305 and 306 in FIG. 2, respectively. The carrier 104 connects the arm portions 310 and 311 together. The carrier 104 is attached to the arm portion 310 by bearings 105 and 190. These bearings define a rotary joint around the axis 102 between the arm portion 310 and the carrier 104. The carrier 104 is attached to the arm portion 311 by a bearing 106. These bearings define a rotary joint around the axis 103 between the arm portion 311 and the carrier 104. The first bevel gear 107 centered on the shaft 102 is fixed to the carrier 104. The second bevel gear 108 around the shaft 103 is fixed to the arm portion 311.

この中で説明した他の機構と同様に、キャリア104は、肢310,311の内側に配置されている。 Similar to the other mechanisms described herein, the carrier 104 is located inside the limbs 310,311.

2つのモータ109,110が、アーム部位310の骨組100に固定されている。モータ109はシャフト111を駆動する。シャフト111は剛体であり、べベルギア107と係合するウォームギア118で終端している。モータ109が操作されると、シャフト111は、近位側アーム部位310に対して回転して、べベルギア107、それゆえカプラ104とアーム部位311を駆動して、軸102を中心にアーム部位310に対して回転する。モータ110は、シャフト112を駆動する。シャフト112は、べベルギア108に係合する遠位端部近傍にウォームギア113を有している。カプラ104が軸102周りに移動する際にモータ110に対するべベルギア108の運動を収容するために、シャフト112は、一対のユニバーサルジョイント114,115と、シャフト112の軸方向の伸縮を収容するスプライン連結されたカプラ116を備えている。シャフト112の最終部位は、ベアリング117によってカプラ104に取り付けられている。 Two motors 109 and 110 are fixed to the skeleton 100 of the arm portion 310. The motor 109 drives the shaft 111. The shaft 111 is rigid and is terminated by a worm gear 118 that engages the bevel gear 107. When the motor 109 is operated, the shaft 111 rotates with respect to the proximal arm portion 310 to drive the bevel gear 107, hence the coupler 104 and the arm portion 311 to drive the arm portion 310 around the shaft 102. Rotate against. The motor 110 drives the shaft 112. The shaft 112 has a worm gear 113 near the distal end that engages the bevel gear 108. To accommodate the movement of the bevel gear 108 with respect to the motor 110 as the coupler 104 moves around the shaft 102, the shaft 112 is splined with a pair of universal joints 114, 115 to accommodate axial expansion and contraction of the shaft 112. It is equipped with a coupler 116. The final portion of the shaft 112 is attached to the coupler 104 by a bearing 117.

べベルギア107は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア107は、270°未満であってもよいし、180°未満であってもよいし、あるいは90°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア108の少なくとも一部が、ギア107と一致する円と交差するように配置され、ギア107の軸の周りでギア107の最も外側の部分と同じ半径を有する、ことを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ/ヨージョイントを備えた、図2に示されるタイプのリストにおいて特に重要である。それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ/ヨージョイント間に冗長度があるので、軸102周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。 It is convenient for the bevel gear 107 to be partially circular, i.e., whose teeth do not contain a perfect circle. For example, the gear 107 may be less than 270 °, less than 180 °, or less than 90 °. This means that at least a portion of the other bevel gear 108 is placed so that it intersects a circle that coincides with the gear 107 and has the same radius as the outermost portion of the gear 107 around the axis of the gear 107. It is permissible. This feature is particularly important in the list of types shown in FIG. 2, which helps reduce the scale of the spread of the composite joint and at the same time has a pair of roll joints and a pair of pitch / yaw joints between them. be. This is because this type of joint has redundancy between the pitch / yaw joints so that it can reach a wide range of positions at the distal end of the arm, even if movement around the axis 102 is restricted. ..

好都合なことに、ギア107および/またはギア108は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、シャフト111,112に取り付けられたウォームギアまたは外面に歯が付けられたギアによってそれらの外面に係合された外歯ギアであってもよい。 Conveniently, the gear 107 and / or the gear 108 is provided as a bevel gear because it can be driven away from the worm gears located in the plane of their respective external radii. However, they may be worm gears attached to the shafts 111, 112 or external tooth gears engaged to their outer surfaces by gears with teeth on their outer surfaces.

好都合なことに、べベルギアおよびそれらに連結するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド(登録商標)形状、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。 Conveniently, the bevel gears and the worm gears connected to them can be skewed axes, eg, Spiroid® shapes. These gears allow for relatively high torque capacity in a relatively compact form.

上述したメカニズムに対しては、様々な変更を行うことができる。以下のものは、例示であって、限定するものではない。
-軸305,306に対応する軸は交差する必要もないし、直交する必要もない。
-べベルギアまたはそれらの外歯ギアの同等のものは、ウォームギアによって駆動される必要はない。それらは、他のギアによって駆動され得る。
-いずれか一方または両方のべベルギアは、部品ギアであってもよい。
-上記実施形態では、機構は、ロボットアーム用のリストの一部を構成している。かかる機構は、他の用途、例えばロボットアームの他の部分や、ロボットツールや、カメラ用の制御ヘッドのような非ロボット用途、に用いられてもよい。
Various changes can be made to the mechanisms described above. The following are examples and are not limited.
-The axes corresponding to axes 305 and 306 do not need to intersect or be orthogonal.
-Bevel gears or their equivalents of external tooth gears do not need to be driven by worm gears. They can be driven by other gears.
-Any or both bevel gears may be component gears.
-In the above embodiment, the mechanism constitutes a part of the list for the robot arm. Such mechanisms may be used in other applications, such as other parts of the robot arm, robot tools, and non-robot applications such as control heads for cameras.

図1を参照して説明したように、各ジョイントには、そのジョイントの軸にかかるトルクを感知するトルクセンサが備えられている。トルクセンサからのデータは、アームの操作を制御するのに使用するために制御ユニット10に提供される。 As described with reference to FIG. 1, each joint is provided with a torque sensor that senses the torque applied to the shaft of the joint. The data from the torque sensor is provided to the control unit 10 for use in controlling the operation of the arm.

図9および図10は、トルクセンサの1つとその取り付け配置を断面で示している。トルクセンサ150は、キャリア104から遠位側アームフレーム101まで延びる軸103にかかるトルクを測定する。上述したように、べベルギア108は、フレーム101に固定されており、キャリア104に対して軸103周りに回転可能とされている。べベルギア108は、径方向に延びるギア部151と軸方向に延びるネック部153を備えており、ギア部151からはそのギア歯152が軸方向に延び出している。ネック153と、径方向に延びるギア部151と、ギア歯152は互いに一体化されている。ネック153の内壁および外壁は、円筒形状である。一対のローラまたはボールベアリング類106,154は、ネックの外壁周りにぴったりとフィットしている。ベアリングは、キャリア104のカップ内に位置し、軸103を中心にキャリアに対してべベルギア108の回転を許容しながら、キャリアに関連する位置にネック153を保持している。 9 and 10 show one of the torque sensors and its mounting arrangement in cross section. The torque sensor 150 measures the torque applied to the shaft 103 extending from the carrier 104 to the distal arm frame 101. As described above, the bevel gear 108 is fixed to the frame 101 and is rotatable about the axis 103 with respect to the carrier 104. The bevel gear 108 includes a gear portion 151 extending in the radial direction and a neck portion 153 extending in the axial direction, and the gear teeth 152 extend axially from the gear portion 151. The neck 153, the gear portion 151 extending in the radial direction, and the gear teeth 152 are integrated with each other. The inner and outer walls of the neck 153 are cylindrical. A pair of rollers or ball bearings 106,154 fit snugly around the outer wall of the neck. The bearing is located in the cup of the carrier 104 and holds the neck 153 at a position related to the carrier while allowing the carrier to rotate the bevel gear 108 around the shaft 103.

トルクセンサ150は、径方向に延びるトップフランジ155と、トップフランジ155から軸方向に延びるねじれチューブ156と、ねじれチューブ156のトップフランジ155とは反対側の端部に雌ねじが形成されたベース157と、を備えている。トップフランジ155は、べベルギア108のギア部151に接している。トップフランジはボルト158によってギア部に固定的に保持されている。ねじれチューブ156は、べベルギア108のネック153の内側に延び出している。ねじれチューブの外壁は、円筒形状である。ベース157の外側は、軸103に対してかかる2つを固定的に保持するように、フレーム101内の対応する構造と確実に係合するスプライン構造で構成されている。ボルト159は、フレーム101を貫通してベース157に延び、それらを一緒にクランプする。したがって、それは、べベルギア108をアームフレーム101に取り付けるトルクセンサ150であり、軸103にかかるトルクがトルクセンサを介して印加されている。ねじれチューブは、中空内部と、そのねじれチューブ150に比べて薄肉の壁と、を有している。トルクセンサを介してトルクが印加されると、ねじれチューブのわずかなねじれ歪みが生じる。ねじれチューブのゆがみは、ねじれチューブの内壁に固定された歪みゲージ160によって測定される。歪みゲージは、軸103に対するトルクを表す、ねじれを示す電気出力を形成する。歪みゲージは、例えば光出力を提供する光干渉歪み計のような、別の形態であってもよい。 The torque sensor 150 includes a top flange 155 extending in the radial direction, a twisted tube 156 extending axially from the top flange 155, and a base 157 having a female thread formed at an end of the twisted tube 156 opposite to the top flange 155. , Is equipped. The top flange 155 is in contact with the gear portion 151 of the bevel gear 108. The top flange is fixedly held to the gear portion by bolts 158. The twisted tube 156 extends inward of the neck 153 of the bevel gear 108. The outer wall of the twisted tube has a cylindrical shape. The outside of the base 157 is configured with a spline structure that securely engages with the corresponding structure in the frame 101 so as to hold the two fixedly to the shaft 103. Bolts 159 extend through the frame 101 to the base 157 and clamp them together. Therefore, it is a torque sensor 150 that attaches the bevel gear 108 to the arm frame 101, and the torque applied to the shaft 103 is applied via the torque sensor. The twisted tube has a hollow interior and a wall that is thinner than the twisted tube 150. When torque is applied through the torque sensor, a slight torsional distortion of the torsion tube occurs. The distortion of the twisted tube is measured by a strain gauge 160 fixed to the inner wall of the twisted tube. The strain gauge forms an electrical output indicating twist, which represents torque with respect to the shaft 103. The strain gauge may be in another form, for example, an optical interference strain gauge that provides an optical output.

トルクセンサから最も正確な出力を得るためには、ねじれチューブ156を迂回するようなべベルギア108からフレーム101へのトルク伝達は回避すべきである。そのため、べベルギア108のネック153とトルクセンサのベース157間の摩擦を低減することが好ましい。1つの可能性は、べベルギアのネックと、トルクセンサのベースおよびねじれチューブの両方との間に隙間を設けることである。しかしながら、このことは、軸103を横断する方向にねじれチューブに剪断力を加えることを可能にし、歪みゲージ160をねじれ力以外にさらすことによりトルクセンサの精度を低下させる。もう1つの選択肢は、ベベルギア108のネックの内部とトルクセンサのベース157の外部の間にベアリング類を導入することである。しかし、このことは、機構によって占有される体積を実質的に増加させる。代わりに、図8に示された構成は、良好な結果を与えることが示されている。スリーブまたはブッシング161は、ねじれチューブ156の周りの、べベルギア108のネック153内に設けられている。スリーブは、ネック153の内壁とねじれチューブ156の外壁に切れ目なく接触するような大きさとされており、また円筒形状とされている。スリーブの内面全体が、ねじれチューブ156の外側と接触している。スリーブの外面全体が、ネック153の内面と接触している。スリーブは、ネックとねじれチューブ間に比較的小さな摩擦を加えるように構成されており、例えば、スリーブは低摩擦または自己潤滑材料で形成または被覆されていてもよい。スリーブは、軸103を横断するせん断力の下でトルクセンサの変形を防止できるように、実質的に非圧縮性の材料で形成されている。例えば、スリーブは、ナイロンやポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリエチレン(PE)やアセタール(例えばデルリン(登録商標))などのプラスチック材料で形成されていてもよいし、被覆されていてもよいし、あるいはグラファイトや滑剤を含浸させた金属で形成されてもよい。 In order to obtain the most accurate output from the torque sensor, torque transmission from the bevel gear 108 to the frame 101 that bypasses the twisted tube 156 should be avoided. Therefore, it is preferable to reduce the friction between the neck 153 of the bevel gear 108 and the base 157 of the torque sensor. One possibility is to provide a gap between the bevel gear neck and both the base of the torque sensor and the twisted tube. However, this makes it possible to apply a shearing force to the twisted tube in the direction transverse to the shaft 103 and reduces the accuracy of the torque sensor by exposing the strain gauge 160 to anything other than the twisting force. Another option is to install bearings between the inside of the neck of the bevel gear 108 and the outside of the base 157 of the torque sensor. However, this substantially increases the volume occupied by the mechanism. Instead, the configuration shown in FIG. 8 has been shown to give good results. The sleeve or bushing 161 is provided in the neck 153 of the bevel gear 108 around the twist tube 156. The sleeve is sized to seamlessly contact the inner wall of the neck 153 and the outer wall of the twisted tube 156, and is cylindrical. The entire inner surface of the sleeve is in contact with the outer surface of the twisted tube 156. The entire outer surface of the sleeve is in contact with the inner surface of the neck 153. The sleeve is configured to apply a relatively small amount of friction between the neck and the twisted tube, for example the sleeve may be formed or coated with a low friction or self-lubricating material. The sleeve is made of a substantially incompressible material so that deformation of the torque sensor can be prevented under shear forces across the shaft 103. For example, the sleeve may be made of or coated with a plastic material such as nylon, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE) or acetal (eg, Delrin®). Alternatively, it may be formed of a metal impregnated with graphite or a lubricant.

機構の組み立てを容易にすると共に、スリーブ161を所定の位置に保持するために、べベルギア108のネック153の内壁は、径方向に延びるギア部151から離隔する端部近傍で、162で内側に階段状に段付されている。スリーブ161がネック153とねじれチューブ156間に配置され、トルクセンサのヘッド155がギア部151にボルト止めされている時には、スリーブは、(ねじれチューブとネック間の)半径方向および、(トルクセンサのヘッド155とべベルギアのネック153の内面のステップ162間の)軸方向、の両方につながれた状態で保持されている。ステップ162を超えた領域163におけるネック153の内径は、その領域におけるネックの内面がトルクセンサ150から離間しており、かかる2つの間の摩擦トルク伝達を防止するように構成されていることが好ましい。 To facilitate assembly of the mechanism and to hold the sleeve 161 in place, the inner wall of the neck 153 of the bevel gear 108 is inward at 162 near the end away from the radially extending gear portion 151. It is stepped in a staircase pattern. When the sleeve 161 is placed between the neck 153 and the twisted tube 156 and the head 155 of the torque sensor is bolted to the gear portion 151, the sleeve is radial (between the twisted tube and the neck) and (of the torque sensor). It is held in a state of being connected to both the head direction (between step 162) on the inner surface of the head 155 and the neck 153 of the bevel gear. It is preferable that the inner diameter of the neck 153 in the region 163 beyond the step 162 is configured so that the inner surface of the neck in the region is separated from the torque sensor 150 and the friction torque transmission between the two is prevented. ..

図7~図10に示す実施形態の他の軸102に対するトルクセンサや、他の図に示す実施形態のトルクセンサ、にも同様の構成を使用することができる。 Similar configurations can be used for the torque sensor for the other shaft 102 of the embodiment shown in FIGS. 7 to 10 and the torque sensor of the embodiment shown in the other figure.

ホール効果センサは、ジョイントの回転位置を感知するために使用されている。各位置センサは、回転軸の1つの周りに配置された生地のリングを備えている。リングは、規則的に間隔を置いて交互に配置された一連の南北磁極を有している。リングに隣接した位置に、磁場を検出して、相対的な位置を示すマルチビット出力を提供するためにセンサアレイに対するリング上の磁極の位置を測定することができる、複数のホール効果デバイスを備えたセンサアレイを有するセンサチップがある。磁極のリングは、360°の範囲内で各ジョイントの各位置が、一対の磁気センサからの固有のセットの出力に関連付けられるように配置されている。これは、各リング上に異なる数の極を設けて、リングが互いに素である数の極を作ることによって達成されていてもよい。この一般原理を用いたホール効果位置センサが、ロボット工学および他の用途に使用されていることが知られている。 Hall effect sensors are used to detect the rotational position of the joint. Each position sensor comprises a ring of fabric placed around one of the axes of rotation. The ring has a series of north-south poles that are regularly spaced and alternating. Located adjacent to the ring, it is equipped with multiple Hall effect devices that can detect the magnetic field and measure the position of the magnetic poles on the ring with respect to the sensor array to provide a multi-bit output that indicates the relative position. There is a sensor chip with a sensor array. The ring of magnetic poles is arranged so that each position of each joint is associated with a unique set of outputs from the pair of magnetic sensors within a range of 360 °. This may be achieved by providing a different number of poles on each ring to create a number of poles in which the rings are relatively prime. Hall effect position sensors using this general principle are known to be used in robotics and other applications.

より具体的には、各ジョイントには、交互に磁化された一対のリングと、関連するセンサとが関連付けられている。各リングは、それぞれのジョイントの軸の周りに同心に配置されている。リングが、ジョイントの一方の側のエレメントに固定されている一方、センサは、ジョイントの他方の側のエレメントに固定されており、その結果、各ジョイントの周りにロボットアームが回転した際には、各リングとそのそれぞれのセンサとの相対的な回転運動が生じる。各個別のセンサは、一対の磁極の間で、関連するリングがセンサに対して配置されている位置を測定する。リング上の一対の磁極における個々のセンサのどちらがセンサの上にあるかは、個々のセンサの出力から決定することはできない。したがって、個々のセンサは、相対的なやり方でのみ使用することができ、ジョイントの絶対位置を知るために電源投入時に較正を必要とする。しかしながら、各リング内の磁極の対の数が共通因子を持たないように設計された一対のリングを用いることにより、両センサからの一対の磁極間の測定を組み合わせることができ、較正を行うことなく、ジョイントの絶対位置を演算することができる。 More specifically, each joint is associated with a pair of alternately magnetized rings and associated sensors. Each ring is placed concentrically around the axis of each joint. The ring is fixed to the element on one side of the joint, while the sensor is fixed to the element on the other side of the joint, so that when the robot arm rotates around each joint, Relative rotational motion occurs between each ring and its respective sensor. Each individual sensor measures the position of the associated ring with respect to the sensor between the pair of magnetic poles. Which of the individual sensors on the pair of magnetic poles on the ring is above the sensor cannot be determined from the output of the individual sensors. Therefore, individual sensors can only be used in relative ways and require calibration at power up to know the absolute position of the joint. However, by using a pair of rings designed so that the number of pairs of poles in each ring does not have a common factor, measurements between the pair of poles from both sensors can be combined and calibrated. It is possible to calculate the absolute position of the joint.

したがって、磁気リングは位置スケールとして作動し、回転軸周りのアーム部位310および311の間の回転位置を決定する。各センサは、各位置スケールに対応していてもよい。任意の回転軸周りのアーム部位310に対するアーム部位311の回転位置を測定するためのセンサが、その軸周りに配置された位置スケールに対応していてもよい。関連ジョイントを中心にアームが関節式に連結されている時に、センサとそれに対応する位置スケールの間に相対回転が生じるように、センサとスケールが、それらの関連ジョイントにおいて、反対側に配置されてもよい。これによって、ジョイントによって連結された2つのアーム部位間の相対移動の測定が可能になる。 Therefore, the magnetic ring acts as a position scale and determines the rotational position between the arm portions 310 and 311 around the axis of rotation. Each sensor may correspond to each position scale. A sensor for measuring the rotational position of the arm portion 311 with respect to the arm portion 310 around an arbitrary axis of rotation may correspond to a position scale arranged around the axis. Sensors and scales are placed on opposite sides of the related joints so that relative rotation occurs between the sensor and the corresponding position scale when the arms are articulated around the related joints. May be good. This makes it possible to measure the relative movement between two arm parts connected by a joint.

磁気リングおよびセンサは、図7~図10に示されている。軸102周りの回転を提供するジョイントに対して、磁気リング200,201とセンサ202,203を用いて、位置が検知される。軸103周りの回転を提供するジョイントに対して、磁気リング210,211とセンサ212と図示しないさらなるセンサを用いて、位置が検知される。磁気リング200は、キャリア104に固定され、キャリアの一方の側に取り付けられている。磁気リング201は、キャリア104に固定され、磁気リング200に対してキャリア104の他方の側に取り付けられている。磁気リング200,201は平らであって、軸102に垂直に配置されていると共に、軸102を中心にしている。センサ202,203は、アーム部位310のフレーム100に固定されている。センサ202は、リング200の側面に隣接するように取り付けられている。センサ203は、リング201の側面に隣接するように取り付けられている。ケーブル204,205は、センサ202,203からの信号を搬送する。磁気リング210は、キャリア104に固定され、キャリアのフランジ220の一方の側に取り付けられている。磁気リング211は、キャリア104に固定され、磁気リング200に対してキャリアのフランジ220の他方の側に取り付けられている。磁気リング210,211は平らであって、軸103に垂直に配置されていると共に、軸103を中心にしている。軸103周りの回転用の、センサ212と別のセンサが、アーム部位311のフレーム101に固定されている。センサ212は、リング210の側面に隣接するように取り付けられている。別のセンサは、リング211の側面に隣接するように取り付けられている。 Magnetic rings and sensors are shown in FIGS. 7-10. Magnetic rings 200, 201 and sensors 202, 203 are used to detect the position of the joint that provides rotation about the axis 102. Positions are detected for joints that provide rotation about the axis 103 using magnetic rings 210, 211, sensors 212, and additional sensors (not shown). The magnetic ring 200 is fixed to the carrier 104 and attached to one side of the carrier. The magnetic ring 201 is fixed to the carrier 104 and attached to the other side of the carrier 104 with respect to the magnetic ring 200. The magnetic rings 200, 201 are flat, arranged perpendicular to the axis 102, and centered on the axis 102. The sensors 202 and 203 are fixed to the frame 100 of the arm portion 310. The sensor 202 is attached so as to be adjacent to the side surface of the ring 200. The sensor 203 is attached so as to be adjacent to the side surface of the ring 201. Cables 204 and 205 carry signals from sensors 202 and 203. The magnetic ring 210 is fixed to the carrier 104 and attached to one side of the carrier flange 220. The magnetic ring 211 is fixed to the carrier 104 and attached to the other side of the carrier flange 220 with respect to the magnetic ring 200. The magnetic rings 210, 211 are flat, arranged perpendicular to the axis 103, and centered on the axis 103. A sensor 212 and another sensor for rotation around the shaft 103 are fixed to the frame 101 of the arm portion 311. The sensor 212 is attached so as to be adjacent to the side surface of the ring 210. Another sensor is mounted adjacent to the side surface of the ring 211.

それゆえ、図7~10の配置では、各軸102,103周りの回転は、それぞれ対応するセンサを備えた2つの多重極磁気リングによって検知されている。各センサは、センサに対する各リング上の最も近い極の相対位置を表すマルチビット信号を生成する。2つのリング上の極数が互いに素となるように配置することにより、センサの出力は、360°の範囲内のジョイントの構成を示す組合せである。これにより、ジョイントの回転位置をその範囲内で検出することができる。さらに、図7~10に示す配置では、各ジョイントに関連する2つのリング(すなわち、一方ではリング200,201、他方ではリング210,211)が、それぞれのジョイントの軸に沿って互いに実質的にオフセットするように配置されている。リング200は、キャリア104の本体の一方の側のベアリング190近傍に配置されている一方、リング201は、キャリア104の反対側のベアリング105近傍に配置されている。リング210は、フランジ220の一方の側に配置されている一方、リング211は、フランジ220の他方の側に配置されている。各リングは、リングが配置される軸に垂直な平面において平坦である生地のシートで形成されている。各対の磁気リング(すなわち、一方ではリング200,201、他方ではリング210,211)は、一対のリングの厚さの5倍より大きい距離だけそれぞれの軸に沿った方向に互いに間隔を置いて配置されており、より好ましくは一対のリングの厚さの10倍あるいは20倍より大きい距離だけそれぞれの軸に沿った方向に互いに間隔を置いて配置されていることが望ましい。都合が良いことに、一対のリングは、リング200,201と同様に、それぞれのジョイントの反対側にあってもよい。都合が良いことに、一対の両リングが取り付けられたキャリア104は、それぞれの回転軸を含む平面で見たときにリング間にある径方向配置に位置するように、径方向外側に延び出している。したがって、例えば、フランジ220は、リング210とリング211との間の径方向に位置している。都合が良いことに、それぞれのジョイントは2つのベアリングによって支持または規定されていてもよく、各軸に沿ったジョイントの一方の側に配置されていてもよいし、ジョイント上の極端な位置に配置されていてもよいし、ジョイントの特定のあるいは各リングは、軸に垂直な平面内で、ベアリングのそれぞれの1つと重なっていてもよい。都合が良いことに、リング用のセンサは、ジョイントによって関節接続されたアーム部位上に取り付けられていてもよい。センサは、アーム部位の反対側に取り付けられていてもよい。 Therefore, in the arrangement of FIGS. 7-10, the rotation around each axis 102, 103 is detected by two multipole magnetic rings, each equipped with a corresponding sensor. Each sensor produces a multi-bit signal that represents the position of the closest pole on each ring relative to the sensor. By arranging the poles on the two rings to be relatively prime, the sensor output is a combination that indicates the configuration of the joint within the range of 360 °. This makes it possible to detect the rotational position of the joint within that range. Further, in the arrangement shown in FIGS. 7-10, the two rings associated with each joint (ie, rings 200, 201 on the one hand and rings 210, 211 on the other hand) are substantially relative to each other along the axis of each joint. It is arranged so as to be offset. The ring 200 is located near the bearing 190 on one side of the body of the carrier 104, while the ring 201 is located near the bearing 105 on the opposite side of the carrier 104. The ring 210 is located on one side of the flange 220, while the ring 211 is located on the other side of the flange 220. Each ring is made of a sheet of fabric that is flat in a plane perpendicular to the axis on which the ring is placed. Each pair of magnetic rings (ie, rings 200,201 on the one hand and rings 210,211 on the other) are spaced apart from each other along their respective axes by a distance greater than five times the thickness of the pair of rings. They are more preferably spaced apart from each other in the direction along their respective axes by a distance greater than 10 or 20 times the thickness of the pair of rings. Conveniently, the pair of rings may be on opposite sides of their respective joints, as well as the rings 200, 201. Conveniently, the carrier 104 with the pair of rings attached extends radially outward so that it is located in the radial arrangement between the rings when viewed in a plane containing their respective axes of rotation. There is. Thus, for example, the flange 220 is located radially between the ring 210 and the ring 211. Conveniently, each joint may be supported or defined by two bearings, may be located on one side of the joint along each axis, or may be located at an extreme position on the joint. The specific or each ring of the joint may overlap one of the bearings in a plane perpendicular to the axis. Conveniently, the sensor for the ring may be mounted on an arm portion articulated by a joint. The sensor may be mounted on the opposite side of the arm portion.

リングを離間させることにより、関連するセンサが取り付けられるジョイントおよび/またはアーム部位のパッケージングを大幅に改善することができる。リングを離間させることにより、リングを便利な位置に配置する機会をより多くすることができると共に、センサを離間させることができること自体が、パッケージングの利点を提供できる。ジョイントは、荷重下のジョイントのねじれが測定に悪影響を及ぼさないように、リング上の磁極の数と比して十分に硬いことが好ましい。例えば、ジョイントは、たとえジョイントのエレメントが間隔を置いて配置されていたとしてもその最大定格運転負荷の下でセンサにおける磁気遷移の変化を生じ得るほどねじれないように十分に堅固であることが好ましい。これにより、全ての負荷状態において、動きに加えて、方向を検出することが可能となる。 By separating the rings, the packaging of the joint and / or arm site to which the associated sensor is attached can be significantly improved. By separating the rings, there are more opportunities to place the rings in convenient locations, and the ability to separate the sensors can itself provide the benefits of packaging. The joint is preferably stiff enough relative to the number of magnetic poles on the ring so that twisting of the joint under load does not adversely affect the measurement. For example, the joint is preferably robust enough so that the elements of the joint are not twisted enough to cause changes in the magnetic transition in the sensor under its maximum rated operating load, even if they are spaced apart. .. This makes it possible to detect the direction in addition to the movement under all load conditions.

したがって、図7~10に示されている装置において、関連する回転軸周りに配置される対応するスケールに対する各センサの位置を測定することによって、センサ202,203,212は、それぞれ軸102および103周りのアーム部位310に対するアーム部位311の回転位置を検知する。上記の例において、スケールは、磁気リングあるいはトラック200,201,および202,203の形状をしている。換言すれば、センサ202および203は軸102周りのアーム部位310に対するアーム部位311の回転位置を測定する。両スケール210および211が軸102周りに配置されているところの、対応するスケール210および211に対するそれらセンサの位置を測定することによって、それは行われる。センサ212は、軸103周りに配置された対応するスケール211に対するセンサ位置を測定することによって、軸103周りのアーム部位310に対するアーム部311の回転位置を測定する。 Thus, in the apparatus shown in FIGS. 7-10, by measuring the position of each sensor with respect to the corresponding scale placed around the associated axis of rotation, the sensors 202, 203, 212 are aligned with axes 102 and 103, respectively. The rotation position of the arm portion 311 with respect to the surrounding arm portion 310 is detected. In the above example, the scale is in the shape of a magnetic ring or tracks 200, 201, and 202, 203. In other words, the sensors 202 and 203 measure the rotational position of the arm portion 311 with respect to the arm portion 310 around the axis 102. It is done by measuring the position of those sensors with respect to the corresponding scales 210 and 211 where both scales 210 and 211 are located around the axis 102. The sensor 212 measures the rotational position of the arm portion 311 with respect to the arm portion 310 around the shaft 103 by measuring the sensor position with respect to the corresponding scale 211 arranged around the shaft 103.

アーム部位311は、アーム部位310の遠位側である。アーム部位310は、図7~10に示す軸102,103周りのジョイントの近位側にある。
図1に関連して説明したように、トルクセンサと位置センサからのデータは、制御ユニット10にフィードバックされる。かかるデータは、アーム自体を通る有線接続によって渡されていることが望ましい。
The arm portion 311 is the distal side of the arm portion 310. The arm portion 310 is located proximal to the joint around axes 102, 103 shown in FIGS. 7-10.
As described in connection with FIG. 1, the data from the torque sensor and the position sensor are fed back to the control unit 10. It is desirable that such data be passed by a wired connection through the arm itself.

各アーム部位は、回路基板を備えている。図7~10は、アーム部位311によって搬送される回路基板250を示している。各回路基板は、データのエンコーダ/デコーダ(例えば、集積回路251)を含んでいる。エンコーダ/デコーダは、それぞれのアーム部位に局所的に使われているフォーマットと、アームに沿ったデータ伝送に使われているフォーマット間で信号を変換する。例えば、(a)アーム部位に対して局所的に、位置センサは、磁極遷移によって通過するときに位置読み取り値を返してもよく、トルクセンサは、現在感知されているトルクを示すアナログまたはデジタル信号を返してもよく、駆動モータは、パルス幅変調された駆動信号を要求していてもよい。一方、(b)アームに沿ったデータ伝送のために、イーサネット(登録商標)のようなパケットデータプロトコルである一般的なデータ伝送プロトコルが用いられてもよい。したがって、エンコーダ/デコーダは、アームに沿って搬送されたデータパケットを制御ユニット10から受け取ってそれらのデータを解釈して任意のローカルモータのための制御信号を形成すると共に、ローカルに検知されたデータを受け取ってそれをパケット化された形式に変換して制御ユニットに送ることができる。アームに沿って設けられた回路基板は、多数の近位側の回路基板を介して比較的遠位側の回路基板からの通信を可能にするように、通信ケーブルによって互いに連結されていてもよい。 Each arm portion comprises a circuit board. FIGS. 7 to 10 show the circuit board 250 conveyed by the arm portion 311. Each circuit board contains a data encoder / decoder (eg, integrated circuit 251). The encoder / decoder converts the signal between the format locally used for each arm portion and the format used for data transmission along the arm. For example, (a) locally with respect to the arm site, the position sensor may return a position reading as it passes by magnetic pole transition, and the torque sensor may indicate an analog or digital signal indicating the currently sensed torque. May be returned, and the drive motor may request a pulse width modulated drive signal. On the other hand, for data transmission along the (b) arm, a general data transmission protocol, which is a packet data protocol such as Ethernet® , may be used. Therefore, the encoder / decoder receives data packets carried along the arm from the control unit 10 and interprets those data to form a control signal for any local motor, as well as locally detected data. Can be received, converted to a packetized format and sent to the control unit. The circuit boards provided along the arm may be connected to each other by a communication cable so as to allow communication from a relatively distal circuit board via a number of proximal circuit boards. ..

一般に、アームの1つのコンポーネントからアームのより遠位側のコンポーネントにデータを送らないことが望ましい。そうしてしまうと、アーム内で不必要に遠位側を走るケーブルが含まれて、遠位側に分配された重量が増加してしまう。そして、回路基板は互いに連結されているので、一旦データが比較的遠位側の回路基板に送信されると、次の最も近位側の回路基板が、それを転送するためにどんな方法でもデータを処理する。 In general, it is desirable not to send data from one component of the arm to the component more distal to the arm. Doing so would include cables that run unnecessarily distally within the arm, increasing the weight distributed to the distal side. And since the circuit boards are connected to each other, once the data is sent to the relatively distal circuit board, the next most proximal circuit board will transfer the data in any way. To process.

しかしながら、ジョイントを通るケーブル数を小さくすることもまた望ましい可能性がある。ケーブルがジョイントの関節運動によって損傷するのを防ぎ、および/またはケーブルがジョイントの関節運動を妨害するのを防ぐように、そのようなケーブルを適切に配置することが難しい可能性があるからである。ある状況では、これらの2つの要求は対立する場合があるが、ケーブルを適切に配置するとは、この対立をうまく処理するということである。 However, it may also be desirable to reduce the number of cables through the joint. It can be difficult to properly position such cables so that they prevent them from being damaged by the range of motion of the joint and / or prevent the cables from interfering with the range of motion of the joint. .. In some situations, these two requirements may conflict, and proper cable placement means handling this conflict well.

下記において、ロボットアームの別の実施形態のための、多数のケーブル配置と、この対立をうまく処理するのに適切である可能性がある位置センサおよびトルクセンサに対するそれらの連結を説明する。 In the following, a large number of cable arrangements for another embodiment of the robot arm and their connection to position and torque sensors that may be appropriate to handle this conflict well are described.

記述する最初の配置は、図7~10に示されるものである。 The first arrangement to describe is that shown in FIGS. 7-10.

軸102,103周りの複合ジョイントは、回転位置センサ202,203(軸102を中心とする回転用)と、回転位置センサ212(軸103を中心とする回転用)を有している。センサ202,203は、センサによって動きが測定されるジョイントの近位側にある、アーム部位310のフレーム100に取り付けられている。位置センサ202,203からのデータは、センサの近位側にあるアーム部位310に沿って延びるケーブル204,205に沿って送られている。センサ212は、アーム部位311のフレーム101に取り付けられている。位置センサ212からのデータは、ケーブルに沿って同じアーム部位上の回路基板250に送られている。いずれの場合にも、データが収集された場所よりも遠位側のアームのエレメントにはデータは渡されない。 The composite joint around the shafts 102 and 103 has a rotation position sensor 202 and 203 (for rotation around the shaft 102) and a rotation position sensor 212 (for rotation around the shaft 103). The sensors 202 and 203 are attached to the frame 100 of the arm portion 310 on the proximal side of the joint where the motion is measured by the sensor. The data from the position sensors 202, 203 is sent along the cables 204, 205 extending along the arm portion 310 on the proximal side of the sensor. The sensor 212 is attached to the frame 101 of the arm portion 311. The data from the position sensor 212 is sent along the cable to the circuit board 250 on the same arm portion. In either case, no data is passed to the element of the arm distal to where the data was collected.

軸102,103周りの複合ジョイントは、トルクセンサ150(軸103を中心とする回転用)と、トルクセンサ191(軸102を中心とする回転用)を有している。トルクセンサ150,191によって検知されたデータは、可撓性ケーブルによって回路基板250にそのままの形で搬送される。回路基板250において、エンコーダ/デコーダ251は、検知されたデータを、例えばイーサネット(登録商標)パケットに符号化して、制御ユニット10に伝達する。したがって、符号化のためにより近位側のアーム部位310の回路基板に送られるよりむしろ、トルクセンサからのデータは、符号化のためにより遠位側のアーム部位の回路基板に渡されて、その後その回路基板からアームに沿った遠位方向に向かってケーブルを介して渡される。 The composite joint around the shafts 102 and 103 has a torque sensor 150 (for rotation around the shaft 103) and a torque sensor 191 (for rotation around the shaft 102). The data detected by the torque sensors 150 and 191 is conveyed to the circuit board 250 as it is by the flexible cable. In the circuit board 250, the encoder / decoder 251 encodes the detected data into, for example, an Ethernet® packet and transmits it to the control unit 10. Therefore, rather than being sent to the circuit board of the proximal arm portion 310 for coding, the data from the torque sensor is passed to the circuit board of the more distal arm portion for coding and then It is passed via a cable from the circuit board toward the distal direction along the arm.

このような配置は、図11に示されている。アーム部位310は、位置センサ202からデータを受け取り、コマンドデータをモータ109,110に提供する回路基板195を備えている。アーム部位311は、位置センサ212とトルクセンサ150,191からのデータを受け取る回路基板250を備えている。回路基板250は、検出されたデータを符号化してデータバス196を介して回路基板195に渡し、回路基板195はそれをリンク197を介して制御ユニット10の方へ転送する。位置センサ202は、回路基板195に対してケーブルによって直接接続されている。位置センサ212およびトルクセンサ150,191は、回路基板250に対してケーブルによって直接接続されている。回路基板250および回路基板195は、データバス196によって連結されている。位置センサ212およびトルクセンサ150,191は、回路基板250(およびデータバス196)を経由して回路基板195に連結されている。 Such an arrangement is shown in FIG. The arm portion 310 includes a circuit board 195 that receives data from the position sensor 202 and provides command data to the motors 109 and 110. The arm portion 311 includes a position sensor 212 and a circuit board 250 that receives data from the torque sensors 150 and 191. The circuit board 250 encodes the detected data and passes it to the circuit board 195 via the data bus 196, and the circuit board 195 transfers it to the control unit 10 via the link 197. The position sensor 202 is directly connected to the circuit board 195 by a cable. The position sensor 212 and the torque sensors 150 and 191 are directly connected to the circuit board 250 by a cable. The circuit board 250 and the circuit board 195 are connected by a data bus 196. The position sensor 212 and the torque sensors 150 and 191 are connected to the circuit board 195 via the circuit board 250 (and the data bus 196).

したがって、図11に示されている配置において、両トルクセンサ150および191は、各データケーブルによって、遠位側アーム部位311に配置されている回路基板250に対して連結されている。ひとつの位置センサ(センサ212)はまた、データケーブルによって回路基板250に連結されている。そして、ひとつの位置センサ(センサ202)は、データケーブルによって、近位側アーム部位310において配置されている回路基板195に対して連結されている。 Therefore, in the arrangement shown in FIG. 11, both torque sensors 150 and 191 are connected by each data cable to the circuit board 250 located at the distal arm portion 311. One position sensor (sensor 212) is also connected to the circuit board 250 by a data cable. Then, one position sensor (sensor 202) is connected to the circuit board 195 arranged at the proximal side arm portion 310 by a data cable.

この配置の様々な態様は、アームにおいて遠位側に配置されたコンポーネントの数を最小化しながら、ジョイントを横切るケーブルの数を最小化するのに有利である可能性がある。 Various aspects of this arrangement may be advantageous in minimizing the number of cables traversing the joint while minimizing the number of components placed distally in the arm.

例えば、‘入力’トルク(ジョイントに対して印加される前の、ジョイントアクチュエータ(例えばモータ)によってもたらされるトルク)ではなく、‘出力’トルク(ジョイント全体に実際に印加されるトルク)を測定することがしばしば望まれる。なぜなら、これによって、ロボットアームの動作のより正確な制御が提供される可能性があるからである。ゆえに、図7~10に示される配置において、トルクセンサ191はドライブギア107をキャリア104に連結し、トルクセンサ150はドライブギア108を遠位側アーム部位311に連結する。トルクセンサ191は、ドライブギア107とキャリア104の両方に取り付けられてもよい。トルクセンサ191は、ドライブギア108と遠位側アーム部位311の両方に取り付けられてもよい。したがって、トルクセンサ191はギア107の下流に配置される。即ち、トルクは、ギア107からドライブトレインを通って、トルクセンサ191へ、そしてキャリア104へ順次転送される。同様に、トルクセンサ150はギア108の下流に配置される。したがって、トルクはギア108からドライブトレインを通って、トルクセンサ150へ、そしてアーム部位311へ順次転送される。トルクセンサ150はドライブギア108の遠位側に配置されるため、このトルクセンサが遠位側アーム部位311に保有された回路基板250に対してデータケーブルを通って連結されるのに便利である。これによって、トルクセンサ150のデータケーブルが複合ジョイントを横切ることが防止される。 For example, measuring the'output'torque (the torque actually applied to the entire joint) rather than the'input'torque (the torque produced by the joint actuator (eg motor) before it is applied to the joint). Is often desired. This is because it may provide more precise control of the movement of the robot arm. Therefore, in the arrangement shown in FIGS. 7-10, the torque sensor 191 connects the drive gear 107 to the carrier 104, and the torque sensor 150 connects the drive gear 108 to the distal arm portion 311. The torque sensor 191 may be attached to both the drive gear 107 and the carrier 104. The torque sensor 191 may be attached to both the drive gear 108 and the distal arm portion 311. Therefore, the torque sensor 191 is arranged downstream of the gear 107. That is, the torque is sequentially transferred from the gear 107 through the drive train to the torque sensor 191 and then to the carrier 104. Similarly, the torque sensor 150 is located downstream of the gear 108. Therefore, the torque is sequentially transferred from the gear 108 through the drive train to the torque sensor 150 and then to the arm portion 311. Since the torque sensor 150 is arranged on the distal side of the drive gear 108, it is convenient for this torque sensor to be connected to the circuit board 250 held in the distal arm portion 311 through the data cable. .. This prevents the data cable of the torque sensor 150 from crossing the composite joint.

また、位置センサが、ジョイントアクチュエータの出力(例えばシャフト111および/または112の回転位置)ではなく、ジョイントの動作の実際の出力(例えばジョイント周りのアーム部位310と311間の相対位置)を測定することがしばしば望まれる。これは、測定されたジョイント位置が、ジョイントを駆動するために使用される駆動アクチュエータの測定された位置よりも、より正確な制御システムのための入力データを提供するかもしれないからである。ジョイントの位置を直接測定するために、各センサはジョイントの一方の側に配置されて、ジョイントの他方の側に配置される各磁気トラックもしくはスケールに対応する。アームがジョイント周りで関節式連結されている場合の、センサとそれに対応するスケールの間の相対的回転動作は、そのジョイント周りで相互に対するアーム部位の位置を測定するのに使用される。それらセンサは、ジョイント周りの検知された位置を表すデータをデータケーブル経由で通信する。即ち、センサは、そこにおいてデータケーブルに取り付けられている、有線接続されたコンポーネントである。位置スケールは、例えばスケールが磁気リングである場合、無線コンポーネントであってもよい。 Also, the position sensor measures the actual output of the joint operation (eg, the relative position between the arm portions 310 and 311 around the joint) rather than the output of the joint actuator (eg, the rotational position of the shaft 111 and / or 112). Is often desired. This is because the measured joint position may provide input data for a more accurate control system than the measured position of the drive actuator used to drive the joint. To directly measure the position of the joint, each sensor is placed on one side of the joint and corresponds to each magnetic track or scale placed on the other side of the joint. When the arms are articulated around a joint, the relative rotational movement between the sensor and the corresponding scale is used to measure the position of the arm sites around the joint with respect to each other. These sensors communicate data representing the detected position around the joint via a data cable. That is, the sensor is a wired component attached to the data cable there. The position scale may be a wireless component, for example if the scale is a magnetic ring.

したがって、(軸102周りでアーム部位310とキャリア104間の位置を測定する)センサ202がアーム部位310内に配置され、また、(キャリア104とアーム部位311の間の位置を測定する)センサ212がアーム部位311内に配置されていると便利である。言い換えれば、センサ202はジョイントの近位側に配置され、センサ212はジョイントの遠位側に配置され、対応するスケール200,210の両方がキャリア104に配置される。つまり、有線コンポーネントはジョイントにおける反対側に配置され、無線コンポーネントは有線コンポーネントの間に介在するキャリアに配置される。このように、センサ202はデータケーブルを経由して局所的回路基板195に対して連結され得る。また、センサ212はデータケーブルを経由して局所的回路基板250に連結されて、いずれかのデータケーブルがジョイントを通らないようにすることができる。 Therefore, the sensor 202 (measuring the position between the arm portion 310 and the carrier 104 around the axis 102) is located within the arm portion 310 and the sensor 212 (measuring the position between the carrier 104 and the arm portion 311). Is conveniently located within the arm portion 311. In other words, the sensor 202 is located proximal to the joint, the sensor 212 is located distal to the joint, and both the corresponding scales 200, 210 are located on the carrier 104. That is, the wired components are located on opposite sides of the joint and the wireless components are located on carriers that intervene between the wired components. In this way, the sensor 202 may be coupled to the local circuit board 195 via a data cable. Further, the sensor 212 can be connected to the local circuit board 250 via a data cable to prevent any data cable from passing through the joint.

図11で示されている配置において、トルクセンサ191は遠位側アーム部位311内に配置されている回路基板250に連結される。ある装備において、これは最も便利な配置であるかもしれない。しかしながら、他の装備において、センサ191が近位側アーム部位310に配置された回路基板195に対してデータケーブルを経由して連結されている方が、(設計や製造の観点からは)より便利であるかもしれない。このことによって、データケーブルが回転軸102を有するジョイントを横切ることが必要になるだろうが、それでも、センサとケーブルをこのように配置してロボット設計に適応させ、または製造中に組み立ててロボットにする方が物理的に容易である可能性がある。 In the arrangement shown in FIG. 11, the torque sensor 191 is connected to the circuit board 250 arranged in the distal arm portion 311. For some equipment, this may be the most convenient arrangement. However, in other equipment, it is more convenient (from a design and manufacturing point of view) that the sensor 191 is connected to the circuit board 195 arranged at the proximal arm portion 310 via a data cable. May be. This would require the data cable to cross a joint with a rotating shaft 102, but nonetheless, sensors and cables could be arranged in this way to adapt to the robot design or assembled during manufacturing into the robot. It may be physically easier to do.

図12によって、この代替の装置の例が示されている。 FIG. 12 shows an example of this alternative device.

近位側アーム部位310が、遠位側アーム部位311に対してリスト5を通じて連結された状態で示されている。近位側アーム部位310はまた、ジョイントの近位側に配置された回路基板195を含む。位置センサ202とトルクセンサ191の双方がそれぞれのケーブル経由で回路基板195に対して直接連結されており、データがセンサから回路基板へ転送される。回路基板195は、センサ202および191から検知されたデータを符号化し、それを制御ユニット10に対してデータリンク197を通じて伝達する。アーム部位311は、ジョイントの遠位側に配置された回路基板250を含む。位置センサ212およびトルクセンサ150は、回路基板250に対して各データケーブル経由で直接連結される。回路基板250は、センサ150および212から検知されたデータを符号化し、回路基板195に対してデータバス196を通じて伝達する。データバス196は、したがってジョイントを通る。また、センサ202および212は、リスト5の複合ジョイントにおいて互いに反対側に配置されて、センサ202および212は複合ジョイント(およびキャリア104)によって離隔されている。 The proximal arm site 310 is shown connected to the distal arm site 311 through Listing 5. The proximal arm site 310 also includes a circuit board 195 located proximal to the joint. Both the position sensor 202 and the torque sensor 191 are directly connected to the circuit board 195 via their respective cables, and data is transferred from the sensor to the circuit board. The circuit board 195 encodes the data detected from the sensors 202 and 191 and transmits the data to the control unit 10 through the data link 197. The arm portion 311 includes a circuit board 250 located on the distal side of the joint. The position sensor 212 and the torque sensor 150 are directly connected to the circuit board 250 via each data cable. The circuit board 250 encodes the data detected from the sensors 150 and 212 and transmits the data to the circuit board 195 through the data bus 196. The data bus 196 therefore passes through the joint. Also, the sensors 202 and 212 are located opposite each other in the composite joint of Listing 5, and the sensors 202 and 212 are separated by the composite joint (and carrier 104).

ロボットアーム内の、位置センサとトルクセンサと、それらのデータケーブルの配置は、これまで複合ジョイントに関して検討されてきた。しかしながら、データセンサの通信ユニットに対する位置と連結は、また、回転ジョイント(1自由度を有するジョイント)に関して考慮すべき事柄である。 The placement of position and torque sensors and their data cables within the robot arm has been studied for composite joints. However, the position and connection of the data sensor to the communication unit is also a consideration for rotary joints (joints with one degree of freedom).

図13によって、2つの隣接する肢、あるいはアーム部位を連結する回転ジョイント用のロボットアーム内の位置センサおよびトルクセンサの配置が示されている。 FIG. 13 shows the placement of position and torque sensors in a robotic arm for a rotary joint that connects two adjacent limbs or arm portions.

特に、アーム部位501が、単体のジョイント503を通じてアーム部位502に対して連結される。アーム部位502は、アーム部位501の遠位側にある。ジョイント503は、(この図のページ内へ指向されている)単体の回転軸504を有する回転ジョイントである。このジョイントによって、アーム部位502はアーム部位501に対して関節式連結されることができる。アーム部位501および502を互いに連結するジョイントは他にはない。モータ505は、駆動シャフト506を駆動して縦方向の軸周りで回転させる。駆動シャフト506は、その末端部に、この例ではピニオン形状のシャフトギア507を添付している。ギア507は、(本例においてベベルギアとして示されている)ドライブギア508に係合する。ギア508は、軸504周りに配置され、この軸に合致する(図示されない)回転軸に回転可能に取り付けられている。ギア508は、遠位側アーム部位502に固定されている。モータ505がシャフト506を駆動する時、シャフトギア507の回転がギア508を駆動し、回転軸504周りで回転させて、順番に軸504周りでアーム部位502をアーム部位501に対して関節式連結させる。 In particular, the arm portion 501 is connected to the arm portion 502 through a single joint 503. The arm portion 502 is on the distal side of the arm portion 501. The joint 503 is a rotary joint having a single rotary shaft 504 (pointed into the page of this figure). This joint allows the arm portion 502 to be articulated to the arm portion 501. No other joint connects the arm portions 501 and 502 to each other. The motor 505 drives the drive shaft 506 to rotate about a vertical axis. The drive shaft 506 has a pinion-shaped shaft gear 507 attached to the end thereof in this example. The gear 507 engages the drive gear 508 (shown as a bevel gear in this example). The gear 508 is arranged around a shaft 504 and is rotatably attached to a rotating shaft (not shown) that matches this shaft. The gear 508 is fixed to the distal arm portion 502. When the motor 505 drives the shaft 506, the rotation of the shaft gear 507 drives the gear 508, rotating it around the rotating shaft 504, and in turn articulating the arm portion 502 to the arm portion 501 around the shaft 504. Let me.

(全体が511で示されている)位置センサユニットは、ジョイント503の回転位置を測定する。位置センサユニットは、センサ512および対応する位置スケール513を含んでいる。センサ512は、近位側アーム部位501内に配置される。それは、アーム部位501内のエレメント(例えば、枠組)に取り付けられてもよい。位置スケール513は、ドライブギア508に固定され、回転軸504周りに配置される(図13においては、明確にするためにスケール513の一部のみ示されている)。ゆえに、センサ512およびスケール513はジョイント503において互いに反対側に配置され、アーム部位501および502が軸504周りで互いに関節式連結されている場合(つまりはジョイント503が関節式連結されている場合)、相対的回転移動されるようになっている。位置スケール513は、図7~10に関連して上記で記載されているように、磁気トラックまたはリングの形状であってもよい。位置スケールは、上記磁気リング200,201,210,212と同様に働いてもよい。 The position sensor unit (totally shown by 511) measures the rotational position of the joint 503. The position sensor unit includes a sensor 512 and a corresponding position scale 513. The sensor 512 is located within the proximal arm portion 501. It may be attached to an element (eg, framework) within the arm portion 501. The position scale 513 is fixed to the drive gear 508 and placed around the axis of rotation 504 (in FIG. 13, only a portion of the scale 513 is shown for clarity). Therefore, if the sensors 512 and scale 513 are located opposite each other in the joint 503 and the arm portions 501 and 502 are articulated to each other around the axis 504 (ie, if the joint 503 is articulated). , It is designed to be moved relative to the rotation. The position scale 513 may be in the shape of a magnetic track or ring, as described above in connection with FIGS. 7-10. The position scale may work in the same manner as the magnetic ring 200, 2011, 2010, 212.

位置センサおよび位置スケールは、ジョイントにおいて互いに反対側に配置される。その結果、(駆動シャフト506の位置などの)ジョイントアクチュエータ出力の位置の測定とは対照的に、ジョイント位置を直接測定することが可能になる。測定されたジョイント位置が、ジョイントアクチュエータの出力に比べて、制御ユニット10に対するより便利な入力である可能性があるため、これは有利である。 Position sensors and position scales are located opposite each other in the joint. As a result, it is possible to directly measure the joint position as opposed to measuring the position of the joint actuator output (such as the position of the drive shaft 506). This is advantageous because the measured joint position may be a more convenient input to the control unit 10 compared to the output of the joint actuator.

トルクセンサユニット514は、ジョイント503周りに印加されるトルクを測定する。トルクセンサは、ドライブギア508の回転軸に設置されていてもよい。トルクセンサ514は、トルクセンサ150および191と同じ配置にされて、同様の方法で働いてもよい。トルクセンサ514は、ドライブギア508をアーム部位502に連結する。トルクセンサ514は、ギア508およびアーム部位502の両方に接続されてもよい。したがって、トルクセンサ514は、ドライブギア508およびアーム部位502の間に配置されてもよい。トルクセンサ514は、したがって、ジョイント503が関節式に連結されている場合、トルクが連続してギア508からセンサ514を通ってアーム部位502に転送されるように、ギア508の下流、もしくは遠位側に配置される。上記のように、そのような配置によって、ジョイントアクチュエータの出力トルクとは対照的に、センサ514がジョイント503全体に印加されるトルクを測定することが可能になる。ジョイント全体に印加されたトルクの感知された値が、ロボットアームの制御ユニットに対するより正確な入力を提供する可能性があるため、これは有利である。 The torque sensor unit 514 measures the torque applied around the joint 503. The torque sensor may be installed on the rotating shaft of the drive gear 508. The torque sensor 514 may be arranged in the same manner as the torque sensors 150 and 191 and work in the same manner. The torque sensor 514 connects the drive gear 508 to the arm portion 502. The torque sensor 514 may be connected to both the gear 508 and the arm portion 502. Therefore, the torque sensor 514 may be arranged between the drive gear 508 and the arm portion 502. The torque sensor 514 is therefore downstream or distal to the gear 508 such that torque is continuously transferred from the gear 508 to the arm portion 502 through the sensor 514 when the joint 503 is articulated. Placed on the side. As mentioned above, such an arrangement allows the sensor 514 to measure the torque applied to the entire joint 503 as opposed to the output torque of the joint actuator. This is advantageous because the sensed value of the torque applied to the entire joint may provide a more accurate input to the control unit of the robot arm.

ロボットアームは、回路基板の形状を有する通信ユニット509および510を含んでいる。通信ユニット509は、アーム部位501において配置され、通信ユニット510は、アーム部位502において配置される。通信ユニット509は、したがって、ジョイント503の近位側にあり、通信ユニット510は、ジョイント503の遠位側にある。通信ユニット509および510は、データバス517によって相互に連結されている。 The robot arm includes communication units 509 and 510 having the shape of a circuit board. The communication unit 509 is arranged at the arm portion 501, and the communication unit 510 is arranged at the arm portion 502. The communication unit 509 is therefore proximal to the joint 503 and the communication unit 510 is distal to the joint 503. The communication units 509 and 510 are connected to each other by the data bus 517.

通信ユニット509は、近位側アーム部位501に沿って延びるデータケーブル515によって、センサ512に連結されている。ケーブル515は、センサ512を通信ユニット509に直接連結してもよい。データケーブル515は、ジョイント503の検知された位置データを、通信ユニット509に対して伝達する。そのデータは、生データと称されてもよい。通信ユニット509は、検知されたデータを符号化して、コミュニケーションズリンク516を通って制御ユニット10に対して伝達する。コミュニケーションズリンク516は、ケーブル等の物理的リンクであってもよいし、あるいはデータバスであってもよい。通信ユニット509は、上記回路基板195と同様の方法で働いてもよい。特に、通信ユニット509は、センサ512から感知されたデータを(例えばイーサネット(登録商標)パケットへと)パケット化してもよい。そして、それらのパケットを制御ユニットに対して伝達してもよい。通信ユニット509はまた、モータ505に対するコマンドデータを提供してもよい。コマンドデータは、通信ユニット509およびモータ505を相互に連結する物理的リンク(例えばケーブル)を通ってもたらされてもよい。 The communication unit 509 is connected to the sensor 512 by a data cable 515 extending along the proximal arm portion 501. The cable 515 may connect the sensor 512 directly to the communication unit 509. The data cable 515 transmits the detected position data of the joint 503 to the communication unit 509. The data may be referred to as raw data. The communication unit 509 encodes the detected data and transmits the detected data to the control unit 10 through the communications link 516. The communications link 516 may be a physical link such as a cable, or may be a data bus. The communication unit 509 may work in the same manner as the circuit board 195. In particular, the communication unit 509 may packetize the data sensed from the sensor 512 (eg, into an Ethernet® packet). Then, those packets may be transmitted to the control unit. The communication unit 509 may also provide command data for the motor 505. The command data may be sent through a physical link (eg, a cable) connecting the communication unit 509 and the motor 505 to each other.

通信ユニット510は、遠位側アーム部位502に沿って延びるデータケーブル518によってトルクセンサ514に対して連結される。ケーブル518は、トルクセンサ514と通信ユニット510を直接接続してもよい。ケーブル518は、ジョイント503の全体に印加されたトルクの検知されたデータ(生データと称してもよい)を通信ユニット510に伝達する。通信ユニット510は、上記回路基板250と同様に、検知されたトルクデータを符号化するために働いてもよい。通信ユニット510は、検知されたトルクデータを符号化した上で、通信ユニット509に対してデータバス517を経由して伝達する。符号化された検知されたトルクデータは、したがって、遠位方向へアームに沿って、通信ユニット510から通信ユニット509へ伝達される。トルクセンサ514は、したがって、遠位側通信ユニット510を通って、近位側通信ユニット509に連結される。 The communication unit 510 is connected to the torque sensor 514 by a data cable 518 extending along the distal arm portion 502. The cable 518 may directly connect the torque sensor 514 and the communication unit 510. The cable 518 transmits the detected data (which may be referred to as raw data) of the torque applied to the entire joint 503 to the communication unit 510. The communication unit 510 may work to encode the detected torque data, similarly to the circuit board 250. The communication unit 510 encodes the detected torque data and then transmits the detected torque data to the communication unit 509 via the data bus 517. The coded detected torque data is therefore transmitted distally along the arm from the communication unit 510 to the communication unit 509. The torque sensor 514 is therefore connected to the proximal communication unit 509 through the distal communication unit 510.

このように、図13に示される配置において、感知された位置データは、ジョイント503の上流に、つまり近位側に(ジョイント503に対する近位方向に)伝達される。感知されたトルクデータは一方、ジョイント503の下流へ、つまり遠位側へ(ジョイント503に対する遠位方向へ)伝達される。 Thus, in the arrangement shown in FIG. 13, the sensed position data is transmitted upstream of the joint 503, i.e., proximally (proximal to the joint 503). The sensed torque data, on the other hand, is transmitted downstream of the joint 503, i.e., distally (distal to the joint 503).

この配置によって、データをジョイント503を通って運ぶデータケーブルがなくても、位置センサおよびトルクセンサから検知されたデータを通信ユニットに伝達することができる。この観点において、この配置は有利である。結果として、バス517経由の、ジョイント503を通るそれに対してのみのデータの伝達は制限される。 This arrangement allows the data detected by the position and torque sensors to be transmitted to the communication unit without the need for a data cable to carry the data through the joint 503. In this respect, this arrangement is advantageous. As a result, the transmission of data via bus 517 only to it through joint 503 is restricted.

図11~13において示された実施形態に対する、様々な改良案や代替案が実行可能である。例を示す。 Various improvements and alternatives to the embodiments shown in FIGS. 11-13 are feasible. Here is an example.

図13において、位置センサ512はデータケーブルによって、近位側アーム部位501によって支持される通信ユニット509に対して連結される。これは、センサ512が近位側アーム部位501によって支持され、対応する位置スケール513が遠位側アーム部位502によって支持されるからである。結果として、センサ512とスケール513はジョイント513において互いに反対側に位置する。代替的配置において、センサ512が遠位側アーム部位502によって支持され、対応する位置スケール513が近位側アーム部位501によって支持されてもよい。例えば、位置スケールは(前と同じように)回転軸504周りに配置されながらも、アーム部位501に固定されて、アーム部位502(ひいてはドライブギア508)に対して軸504周りで回転できるようにされてもよい。センサ512は、ドライブギア508およびアーム部位502に固定されてもよい。ゆえに、それらセンサとアーム部位は、ジョイント503が関節式に連結されている場合であっても相対的に移動する。センサ512が遠位側アーム部位502によって支持されている場合、センサが、通信ユニット509ではなく、アーム部位502に沿って走るデータケーブルによって、通信ユニット510に対して連結されるのが便利である。結果として、また、センサ512から感知されたデータを伝達するデータケーブルが、ジョイントを通ることが防止される。 In FIG. 13, the position sensor 512 is connected by a data cable to the communication unit 509 supported by the proximal arm portion 501. This is because the sensor 512 is supported by the proximal arm portion 501 and the corresponding position scale 513 is supported by the distal arm portion 502. As a result, the sensor 512 and the scale 513 are located on opposite sides of each other in the joint 513. In an alternative arrangement, the sensor 512 may be supported by the distal arm site 502 and the corresponding position scale 513 may be supported by the proximal arm site 501. For example, the position scale is located around the axis 504 (as before) but is fixed to the arm portion 501 so that it can rotate around the axis 504 with respect to the arm portion 502 (and thus the drive gear 508). May be done. The sensor 512 may be fixed to the drive gear 508 and the arm portion 502. Therefore, these sensors and arm portions move relative to each other even when the joints 503 are articulated. When the sensor 512 is supported by the distal arm portion 502, it is convenient for the sensor to be connected to the communication unit 510 by a data cable running along the arm portion 502 rather than the communication unit 509. .. As a result, the data cable carrying the data sensed from the sensor 512 is also prevented from passing through the joint.

図13の配置において回路基板にセンサを連結するケーブルが、データケーブルとして説明されてきた。データケーブルは電気ケーブルであってもよい。また、センサおよび回路基板は、光学ファイバー等の他のタイプの物理的データリンクによって連結されてもよい。 The cable connecting the sensor to the circuit board in the arrangement of FIG. 13 has been described as a data cable. The data cable may be an electric cable. Sensors and circuit boards may also be connected by other types of physical data links such as optical fibers.

図11~13の各配置に対する物理的データリンクは、ロボットアーム内の様々な位置に配置され得る。例のひとつのセットにおいて、各アーム部位、または肢は、アーム部位の外面、または壁部を形成するケースを含む。物理的データリンクは、外壁部内を走ってもよい。例の別のセットにおいて、物理的データリンクは外壁部の外側に取り付けられてもよい。例えば、それらはそれぞれ外壁部の外面に取り付けられてもよい。 The physical data links for each arrangement of FIGS. 11-13 can be arranged at various locations within the robot arm. In one set of examples, each arm portion, or limb, comprises a case forming an outer surface or wall portion of the arm portion. The physical data link may run inside the outer wall. In another set of examples, the physical data link may be attached to the outside of the outer wall. For example, each of them may be attached to the outer surface of the outer wall portion.

図13の配置は、ひとつの位置センサ512と対応する位置スケール513のみを含むものとして記述されてきた。その配置は、回転軸504の方向に沿ってセンサ512およびスケール513に対して横方向に離隔する第2のセンサと対応する位置スケールを含んでもよい。これによって、較正段階を行う必要なしに、ジョイント504の角位置を決定することが可能になる。 The arrangement of FIG. 13 has been described as including only one position sensor 512 and the corresponding position scale 513. The arrangement may include a position scale corresponding to a second sensor laterally separated from the sensor 512 and the scale 513 along the direction of the axis 504. This makes it possible to determine the angular position of the joint 504 without the need for a calibration step.

図13における位置スケールは、磁気トラックまたはリングとして記述されてきた。リングは、軸504周りに配置される。別の例において、位置スケールは、軸504周りに配置される、抵抗性あるいは導電性のトラックの形状であってもよい。この場合、センサ512は、トラックに取り付けられた導電性のワイパーを含んでもよい。ジョイント503が関節式に連結されている場合、そのワイパーは、トラックに対して相対的に移動する。その結果、トラック上の一点とワイパーの間の抵抗が、その抵抗がワイパー位置の関数であるかのように変化する。それから、センサは計測された抵抗を使用して、ワイパー(そしてひいてはジョイント503)の位置を決定する。 The position scale in FIG. 13 has been described as a magnetic track or ring. The ring is arranged around the axis 504. In another example, the position scale may be in the form of a resistant or conductive track placed around the axis 504. In this case, the sensor 512 may include a conductive wiper attached to the track. When the joint 503 is articulated, the wiper moves relative to the track. As a result, the resistance between a point on the track and the wiper changes as if the resistance were a function of the wiper position. The sensor then uses the measured resistance to determine the position of the wiper (and thus the joint 503).

図13のドライブギア508およびシャフトギア507は、単に回転ジョイントの説明のための一例として選ばれていたに過ぎない。図13におけるセンサおよびデータケーブルの配置が、回転ジョイントを関節式に連結するために使用される他のタイプのギアリングに適用可能であることは、理解されるであろう。例えば、ドライブギア508は、平部位ギアやベベルギア、ハイポイドギア等であってもよい。シャフトギア507は、平部位ギアやベベルギア、ウォーム等であってもよい。 The drive gear 508 and shaft gear 507 of FIG. 13 have been selected merely as an example for the description of the rotary joint. It will be appreciated that the sensor and data cable arrangements in FIG. 13 are applicable to other types of gearing used to articulate rotary joints. For example, the drive gear 508 may be a flat part gear, a bevel gear, a hypoid gear, or the like. The shaft gear 507 may be a flat part gear, a bevel gear, a worm, or the like.

図2に示されているように、アーム部位4cは、アーム部位311によって支持され、軸307周りでアーム部位4cに対して回動可能とされている。図14は、アーム部位4cを含むモジュールを貫通する断面を示している。かかるモジュールは、ベース400と、ベースに固定された側壁440を有している。ベース400は、アーム部位311の先端の端面401に取り付けられている(図7参照)。アーム部位4cは、一般に403で示されている。アーム部位4cは、図2の軸307に対応する軸402を中心としてベース400に対して回転可能である。そのため、アーム部位4cは、軸402を中心に側壁440とアーム部位4cの間に回転ジョイントを規定するベアリング430,431によって側壁440に取り付けられている。 As shown in FIG. 2, the arm portion 4c is supported by the arm portion 311 and is rotatable about the shaft 307 with respect to the arm portion 4c. FIG. 14 shows a cross section penetrating the module including the arm portion 4c. Such a module has a base 400 and a side wall 440 fixed to the base. The base 400 is attached to the end face 401 of the tip of the arm portion 311 (see FIG. 7). The arm portion 4c is generally indicated by 403. The arm portion 4c is rotatable with respect to the base 400 about a shaft 402 corresponding to the shaft 307 of FIG. Therefore, the arm portion 4c is attached to the side wall 440 by bearings 430, 431 that define a rotary joint between the side wall 440 and the arm portion 4c around the shaft 402.

アーム部位4cは、その内部コンポーネントを収容するハウジング404を有している。これらのコンポーネントは、回路基板405とモータ406,407を含んでいる。モータ406,407は、ハウジング404に対して回転不能に固定されている。ハウジング404は、ベアリング430,431によってベース400に対して自由に回転自在とされている。溝408は、回路基板250から回路基板405まで走る(図示しない)通信ケーブルを収容するために、モジュールの内部を走っている。かかる通信ケーブルは信号を搬送しており、かかる信号が回路基板405のエンコーダ/デコーダによって復号化されたときに、かかる信号によってモータ406,407の動作を制御するための制御信号が出される。 The arm portion 4c has a housing 404 that houses its internal components. These components include a circuit board 405 and motors 406,407. The motors 406 and 407 are non-rotatably fixed to the housing 404. The housing 404 is freely rotatable with respect to the base 400 by bearings 430 and 431. The groove 408 runs inside the module to accommodate a communication cable (not shown) that runs from the circuit board 250 to the circuit board 405. The communication cable carries a signal, and when the signal is decoded by the encoder / decoder of the circuit board 405, the signal outputs a control signal for controlling the operation of the motors 406 and 407.

モータ406は、アーム部位311に対するアーム部位4cの回転を駆動する。したがって、モータ406は、ベース400に対するハウジング404の回転を駆動する。ベース400は、中央のボス410を有している。 The motor 406 drives the rotation of the arm portion 4c with respect to the arm portion 311. Therefore, the motor 406 drives the rotation of the housing 404 with respect to the base 400. The base 400 has a central boss 410.

図9および図10に関連して説明したタイプのトルクセンサは一般に、ボス410に取り付けられている。かかるトルクセンサは、ベース411とねじれチューブ412と径方向に延びるヘッド413を備える一体部材を有している。トルクセンサのベース411は、ベース400のボス410に固定されている。図9および図10のトルクセンサと同様に、スリーブ421は、トルクセンサを剪断力から保護すると共に、周囲のコンポーネント、即ちベース400とトルクセンサの間の摩擦を低減するために、トルクセンサのねじれチューブの周りに延び出している。 The types of torque sensors described in connection with FIGS. 9 and 10 are generally mounted on the boss 410. Such a torque sensor has an integral member including a base 411, a twisted tube 412, and a radially extending head 413. The base 411 of the torque sensor is fixed to the boss 410 of the base 400. Similar to the torque sensors of FIGS. 9 and 10, the sleeve 421 twists the torque sensor to protect it from shearing forces and reduce friction between the surrounding components, i.e. the base 400 and the torque sensor. It extends around the tube.

内歯ギア420は、トルクセンサのヘッド413に固定されている。モータ406は、ピニオンギア415を有するシャフト414を駆動している。ピニオンギア415は、内歯ギア420に係合している。したがって、モータ406が操作されると、ピニオンギア415が回転駆動され、これによりモータ406がその一部を構成するアーム部位4cを軸402周りに回転する。結果として生じる軸402周りのトルクは、トルクセンサのねじれチューブ412を介してベース400に伝達され、ねじれチューブに取り付けられた歪みゲージによってトルクが測定されることを可能にする。 The internal tooth gear 420 is fixed to the head 413 of the torque sensor. The motor 406 drives a shaft 414 having a pinion gear 415. The pinion gear 415 is engaged with the internal tooth gear 420. Therefore, when the motor 406 is operated, the pinion gear 415 is rotationally driven, whereby the motor 406 rotates the arm portion 4c constituting a part thereof around the shaft 402. The resulting torque around the shaft 402 is transmitted to the base 400 via the torsion tube 412 of the torque sensor, allowing the torque to be measured by a strain gauge attached to the torsion tube.

器具に対するアタッチメント用のインターフェース8が、図14において示されている。モータ407のシャフト440は、器具に駆動を提供するためのインターフェースにおいて露出している。 An interface 8 for an attachment to an instrument is shown in FIG. The shaft 440 of the motor 407 is exposed in the interface for providing drive to the appliance.

トルクセンサ411,412,413からのトルクデータは、符号化のためにアーム部位311の回路基板250に渡される。アーム部位4cの回転位置は、アーム部位4cに携帯されたセンサ445により検知可能であり、かかるセンサ445は、ハウジング404の内部に取り付けられたリング446,447上の磁極間の遷移を検出する。センサ445からのデータは、符号化のためにアーム部位4cの回路基板405に渡される。 The torque data from the torque sensors 411, 421, 413 are passed to the circuit board 250 of the arm portion 311 for coding. The rotational position of the arm portion 4c can be detected by a sensor 445 carried in the arm portion 4c, which sensor 445 detects a transition between the magnetic poles on the rings 446 and 447 mounted inside the housing 404. The data from the sensor 445 is passed to the circuit board 405 of the arm portion 4c for coding.

ジョイント102,103周りの回転を駆動するモータは、アーム部位310においてそれらのジョイントの近位側に取り付けられている。上述したように、これにより、アームの先端寄りの重量を回避して、重量分布を改善することができる。これに対し、アーム部位4cの回転を駆動するモータは、アーム部位311よりむしろアーム部位4cに取り付けられている。このことは、モータ406をより遠位に取り付ける必要があるため不利となる可能性があるが、これによりアーム部位311をとりわけコンパクトにできることが判明した。モータ406は、器具に駆動を提供するモータ(例えば、407)と平行に、すなわち軸402に垂直な共通の平面を横切るように、アーム部位4c内にパッケージされ得る。このことは、アーム部位4c内へのモータ406の組み込みが、アーム部位4cを実質的に長くする必要がないことを意味している。 Motors that drive rotation around the joints 102, 103 are attached to the proximal side of those joints at the arm portion 310. As described above, this makes it possible to avoid the weight near the tip of the arm and improve the weight distribution. On the other hand, the motor that drives the rotation of the arm portion 4c is attached to the arm portion 4c rather than the arm portion 311. This can be a disadvantage as the motor 406 needs to be mounted more distally, but it has been found that this makes the arm portion 311 particularly compact. The motor 406 may be packaged within the arm portion 4c so as to be parallel to a motor (eg, 407) that provides drive to the appliance, i.e., across a common plane perpendicular to the axis 402. This means that the incorporation of the motor 406 into the arm portion 4c does not require the arm portion 4c to be substantially lengthened.

歯付ギアの代わりに、ジョイントの駆動は、摩擦手段によって行ってもよい。 Instead of the toothed gear, the drive of the joint may be performed by frictional means.

出願人はこれによって、ここに記載の分離した各個別の特徴および2つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示されている。なお、そのような特徴または特徴の組合せが本明細書に開示される任意の問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。 Applicants thereby disclose any combination of each separate individual feature and two or more such features described herein, and such features or combinations of features are common to those of skill in the art. It is disclosed to the extent that it can be carried out under the present specification as a whole in the light of the knowledge of the art. It is irrelevant whether such features or combinations of features solve any of the problems disclosed herein, and such specific statements do not limit the scope of the claims. Applicants have indicated that aspects of the invention may consist of such individual features or combinations of features. In view of the above description, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made within the scope of the present invention.

Claims (15)

第1肢と第2肢の間に、第1回転ジョイントと第2回転ジョイントからなる複合ジョイントを有し、前記第2肢が前記第1肢の遠位側にあるロボットアームであって、
第1回転軸を有する前記第1回転ジョイントによって前記ロボットアームの該第1肢に対して連結され、第2回転軸を有する前記第2回転ジョイントによって該ロボットアームの該第2肢に対して連結されているカプラエレメントと、
前記第1および第2回転ジョイントのそれぞれの周りで前記ロボットアームの構成を検知するための第1および第2回転位置センサと、
前記第1および第2回転ジョイントのそれぞれの周りにかかるトルクを検知するための第1および第2トルクセンサと、
前記ロボットアームの運転を制御するための制御ユニットと、
前記第1肢によって支持されて前記カプラエレメントの近位側に配置される第1通信ユニットと、該第2肢によって支持されて該カプラエレメントの遠位側に配置される第2通信ユニットであり、各前記第1および第2通信ユニットがひとつ以上の前記第1および第2回転位置センサおよび第1および第2トルクセンサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる該第2通信ユニットと、を含み、
前記第1回転位置センサが前記第1通信ユニットに対して、前記第1肢の外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第1回転ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第1通信ユニットに送られる一方、該第1トルクセンサが前記第2通信ユニットに対して、前記第2肢の外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、該第1回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られる
ロボットアーム。
A robot arm having a composite joint consisting of a first rotation joint and a second rotation joint between the first limb and the second limb, and the second limb is on the distal side of the first limb.
The first rotation joint having the first rotation axis is connected to the first limb of the robot arm, and the second rotation joint having the second rotation axis is connected to the second limb of the robot arm. With the coupler element that is
A first and second rotation position sensor for detecting the configuration of the robot arm around each of the first and second rotation joints, and
The first and second torque sensors for detecting the torque applied around each of the first and second rotary joints, and
A control unit for controlling the operation of the robot arm and
A first communication unit supported by the first limb and arranged on the proximal side of the coupler element, and a second communication unit supported by the second limb and arranged on the distal side of the coupler element. The first and second communication units encode the data in the first data format received from one or more of the first and second rotation position sensors and the first and second torque sensors into a data packet. A second communication unit capable of forwarding the data packet to the control unit according to a packet-based data protocol different from the first data format, and the like.
The first rotation position sensor is connected to the first communication unit by a data cable running in the outer wall portion of the first limb, and data representing a position detected around the first rotation joint is for encoding. The first torque sensor is connected to the second communication unit by a data cable running in the outer wall portion of the second limb, and the first torque sensor is connected to the second communication unit around the first rotary joint. A robot arm in which data representing the detected torque is sent to the second communication unit for encoding.
前記第2回転位置センサが、前記第2通信ユニットに対して、前記第2肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第2回転ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られる請求項1に記載のロボットアーム。 The second rotation position sensor is connected to the second communication unit by a data cable running in the outer wall portion of the second limb, and data representing a position detected around the second rotation joint is obtained. The robot arm according to claim 1, which is sent to the second communication unit for encoding. 前記第2回転位置センサが、前記第1通信ユニットに対して、前記第1肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第2回転ジョイント周りで検知された位置データを表すデータがエンコード用に該第1通信ユニットに送られる請求項1に記載のロボットアーム。 The second rotation position sensor is connected to the first communication unit by a data cable running in the outer wall portion of the first limb, and data representing the position data detected around the second rotation joint. The robot arm according to claim 1, wherein the robot arm is sent to the first communication unit for encoding. 前記第2トルクセンサが、前記第2通信ユニットに対して、前記第2肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第2回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られる請求項1~3に記載のロボットアーム。 The second torque sensor is connected to the second communication unit by a data cable running in the outer wall portion of the second limb, and data representing the torque detected around the second rotary joint is encoded. The robot arm according to claim 1 to 3, which is sent to the second communication unit for use. 前記第2トルクセンサが、前記第1通信ユニットに対して、前記第1肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第2回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第1通信ユニットに送られる請求項1~4に記載のロボットアーム。 The second torque sensor is connected to the first communication unit by a data cable running in the outer wall portion of the first limb, and data representing the torque detected around the second rotary joint is encoded. The robot arm according to claim 1 to 4, which is sent to the first communication unit for use. 前記第1通信ユニットに対する、前記第1肢の前記外壁部内を走るデータケーブルおよび/または前記第2通信ユニットに対する、前記第2肢の前記外壁部内を走るデータケーブルが電気ケーブルである請求項1~5の何れか1項に記載のロボットアーム。 The electric cable is a data cable running in the outer wall portion of the first limb for the first communication unit and / or a data cable running in the outer wall portion of the second limb for the second communication unit. 5. The robot arm according to any one of 5. 各前記第1および第2通信ユニットが、ひとつ以上の前記第1および第2回転位置センサおよび第1および第2トルクセンサから受け取った前記データを前記第1データ形式でバッファーに保留して、次に該データパケットを前記制御ユニットに転送することができる請求項1~6の何れか1項に記載のロボットアーム。 The data received by each of the first and second communication units from one or more of the first and second rotation position sensors and the first and second torque sensors is buffered in the first data format and the following: The robot arm according to any one of claims 1 to 6, wherein the data packet can be transferred to the control unit. 前記第2通信ユニットが、前記制御ユニットに対して、前記第1通信ユニットを通って連結されている請求項1~7の何れか1項に記載のロボットアーム。 The robot arm according to any one of claims 1 to 7, wherein the second communication unit is connected to the control unit through the first communication unit. 前記第1肢が前記第1および第2回転ジョイント周りの動きを駆動するためのモータを有し、該モータがデータケーブルによって、前記第1通信ユニットからコマンドシグナルを受け取るために、該第1通信ユニットに対して連結される請求項1~8の何れか1項に記載のロボットアーム。 The first limb has a motor for driving movement around the first and second rotary joints, and the first communication for the motor to receive a command signal from the first communication unit by a data cable . The robot arm according to any one of claims 1 to 8, which is connected to the unit. 前記第1および第2回転軸が互いに直交する請求項1~9の何れか1項に記載のロボットアーム。 The robot arm according to any one of claims 1 to 9, wherein the first and second rotation axes are orthogonal to each other. 前記第1および回転第2軸が互いに交差している請求項1~10の何れか1項に記載のロボットアーム。 The robot arm according to any one of claims 1 to 10, wherein the first axis and the second rotation axis intersect each other. 前記第1および第2回転ジョイントが、前記ロボットのリストの一部である請求項1~11の何れか1項に記載のロボットアーム。 The robot arm according to any one of claims 1 to 11, wherein the first and second rotary joints are a part of the list of the robots. 第1肢と、前記第1肢の遠位側にあり、回転軸周りで該第1肢と第2肢を互いに関節式に連結するための単体の回転ジョイントによって前記第1肢に対して連結されている前記第2肢とを含むロボットアームであって、
前記単体の回転ジョイント周りのトルクを検知するためのトルクセンサと、
該ロボットアームの運転を制御するための制御ユニットと、
前記第2肢に支持されて該単体の回転ジョイントの遠位側に配置された第1通信ユニットで、前記トルクセンサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる前記第1通信ユニットと、を含み、
該トルクセンサが、該第1通信ユニットに対して、該第2肢に沿って走るデータケーブルによって連結されており、前記単体の回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に前記第1通信ユニットに送られることを特徴とするロボットアーム。
The first limb and the distal side of the first limb are connected to the first limb by a single rotary joint for jointly connecting the first limb and the second limb around the axis of rotation. A robot arm including the second limb.
A torque sensor for detecting the torque around the single rotary joint and
A control unit for controlling the operation of the robot arm and
A first communication unit supported by the second limb and arranged on the distal side of the single rotary joint encodes data in the first data format received from the torque sensor into a data packet, and the first is described. 1 Includes the first communication unit capable of forwarding the data packet to the control unit according to a packet-based data protocol different from the data format.
The torque sensor is connected to the first communication unit by a data cable running along the second limb, and data representing the torque detected around the single rotary joint is used for encoding. A robot arm characterized by being sent to one communication unit.
前記回転軸周りで前記ロボットアームの構成を検知するための回転位置センサと、
該ロボットアームに支持されて前記単体の回転ジョイントの近位側に配置される前記第2通信ユニットで、前記回転位置センサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる該第2通信ユニットと、を更に含む、
該回転位置センサが、前記第2通信ユニットに対して、前記第1肢に沿って走るデータケーブルによって連結されており、該回転軸周りの前記ロボットアームの構成を表すデータがエンコード用に該第2通信ユニットに送られる請求項13に記載のロボットアーム。
A rotation position sensor for detecting the configuration of the robot arm around the rotation axis, and
The second communication unit, which is supported by the robot arm and is arranged on the proximal side of the single rotary joint, encodes the data in the first data format received from the rotary position sensor into a data packet, and the data packet is described. It further comprises a second communication unit capable of forwarding the data packet to the control unit according to a packet-based data protocol different from the first data format.
The rotation position sensor is connected to the second communication unit by a data cable running along the first limb, and data representing the configuration of the robot arm around the rotation axis is the second for encoding. 2. The robot arm according to claim 13, which is sent to the communication unit.
前記回転軸周りで前記ロボットアームの構成を検知するための前記回転位置センサを更に含む、
前記第1通信ユニットが該回転位置センサから受け取った第1データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第1データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記データパケットを前記制御ユニットに転送することが更に可能であり、
前記回転位置センサが、該第1通信ユニットに対して、前記第2肢に沿って走るデータケーブルによって連結されており、該回転軸周りの該ロボットアームの構成を表すデータがエンコード用に前記第1通信ユニットに送られる請求項13に記載のロボットアーム。
Further including the rotation position sensor for detecting the configuration of the robot arm around the rotation axis.
The first communication unit encodes the data in the first data format received from the rotation position sensor into a data packet, and the data packet is sent to the control unit according to a packet-based data protocol different from the first data format. It is even possible to transfer to
The rotation position sensor is connected to the first communication unit by a data cable running along the second limb, and data representing the configuration of the robot arm around the rotation axis is the first for encoding. 1 The robot arm according to claim 13, which is sent to the communication unit.
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